(57)【要約】熱力学サイクル装置は、（ｉ）第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバと、（ｉｉ）第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバと、（ｉｉｉ）第１のリザーバに熱結合され、第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、第２のリザーバに熱結合され、第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、（ｉｖ）第１の作動流体の第１の熱力学回路と、（ｖ）第２の作動流体の第２の熱力学回路と、（ｖｉ）補助熱が第１の加圧蒸気の生成に寄与できるように、第１の熱力学回路に熱的に接続される補助熱入力手段と、（ｖｉｉ）第２の作動流体が補助ヒートシンクに熱を逃がすことができるように、第２の熱力学回路に熱的に接続される補助熱出力手段とを備える。第１の熱力学回路は第２の熱力学回路から熱的に独立しており、本装置は、充填モード、貯蔵モード及び放出モードにおいて動作可能である。充填モードでは、ヒートポンプにエネルギーが加えられ、第１の貯蔵媒体が冷却され、第２の貯蔵媒体が加熱される。貯蔵モードでは、冷却された第１の貯蔵媒体が第１のリザーバに貯蔵され、加熱された第２の貯蔵媒体が第２のリザーバに貯蔵される。放出モードでは、第１の加圧蒸気が第１の膨張器によって膨張し、及び／又は第２の加圧蒸気が第２の膨張器によって膨張する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学サイクル装置であって、
（ｉ）第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバと、
（ｉｉ）第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバと、
（ｉｉｉ）前記第１のリザーバに熱結合され、前記第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第２のリザーバに熱結合され、前記第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
（ｉｖ）第１の作動流体の、第１の熱力学回路であって、
前記第１の作動流体を気化させて、第１の加圧蒸気を生成する第１の蒸発器と、
前記第１の加圧蒸気を膨張させる第１の膨張器と、
前記第１の膨張器から受けた第１の作動流体を凝縮し、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与える第１の凝縮器であって、前記第１の凝縮器は前記第１のリザーバに熱結合される、第１の凝縮器と
を備える第１の熱力学回路と、
（ｖ）第２の作動流体の、第２の熱力学回路であって、
前記第２の作動流体を気化させて、第２の加圧蒸気を生成する第２の蒸発器であって、前記第２の蒸発器は前記第２のリザーバに熱結合される、第２の蒸発器と、
前記第２の加圧蒸気を膨張させる第２の膨張器と、
前記第２の膨張器から受けた第２の作動流体を凝縮し、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与える第２の凝縮器と
を備える第２の熱力学回路と、
（ｖｉ）前記第１の熱力学回路に熱的に接続され、補助熱が前記第１の加圧蒸気の生成に寄与できるようにする補助熱入力手段と、
（ｖｉｉ）前記第２の熱力学回路に熱的に接続され、前記第２の作動流体から補助ヒートシンクへと熱を逃がすことができるようにする補助熱出力手段と
を備え、
前記第１の熱力学回路は前記第２の熱力学回路から熱的に独立しており、前記装置は、充填モードと貯蔵モードと放出モードとにおいて動作可能であり、
前記充填モードでは、前記ヒートポンプにエネルギーが加えられて、前記第１の貯蔵媒体が冷却され、前記第２の貯蔵媒体が加熱され、
前記貯蔵モードでは、冷却された第１の貯蔵媒体が前記第１のリザーバに貯蔵され、加熱された第２の貯蔵媒体が前記第２のリザーバに貯蔵され、
前記放出モードでは、前記第１の加圧蒸気が前記第１の膨張器により膨張し、及び／又は前記第２の加圧蒸気が前記第２の膨張器により膨張する、
熱力学サイクル装置。
【請求項２】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第１の作動流体又は第２の作動流体を循環させるポンプを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の凝縮器は前記第１の熱力学回路内のポンプを介して、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与え、及び／又は前記第２の凝縮器は前記第２の熱力学回路内のポンプを介して、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の熱力学回路内のポンプと前記第２の熱力学回路内のポンプとのいずれか又は両方は、遠心ポンプと、スライディングベーンポンプと、ジェロータポンプと、ジェローラポンプと、ギアポンプと、ダイヤフラムポンプと、ピストンポンプと、プランジャポンプと、蠕動ポンプと、ローブポンプとから選択される、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項７】
複数のポンプを備え、前記複数のポンプは共通のシャフトに取り付けられる、請求項４〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器の一方が前記共通のシャフトに取り付けられる、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器が共通のシャフトに取り付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記補助熱入力手段を介して前記補助熱を前記第１の熱力学回路に与える補助熱源を更に備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記補助熱源は、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、空調システム又は冷凍システムから廃棄される熱と、周囲水源と、地表源と、地熱源と、太陽熱源と、太陽池と、生物活性熱源と、工業プロセスからの廃熱と、発電技術の廃熱とのうちの１つ以上を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の熱力学回路から前記補助熱出力手段を介して熱を受け取る補助ヒートシンクを更に備える請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、周囲水源と、地表源と、廃冷源とのうちの１つ以上を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の熱力学回路が付加的な補助熱入力手段を備え、付加的な補助熱が前記第２の加圧蒸気の生成に寄与しうる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記付加的な補助熱入力手段を介して前記付加的な補助熱を前記第２の熱力学回路に与える付加的な補助熱源を更に備える請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の蒸発器と前記第１の膨張器との間に第１の過熱器を更に備え、前記第１の過熱器は前記第１の作動流体を過熱する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の蒸発器と前記第２の膨張器との間に第２の過熱器を更に備え、前記第２の過熱器は前記第２の作動流体を過熱する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の凝縮器と前記第２の蒸発器との間に予熱器を更に備え、前記予熱器は前記第２の作動流体を加熱する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記ヒートポンプの低温部は、第１の熱伝達流体の第１の熱伝達回路によって前記第１のリザーバに熱結合される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第１の熱伝達流体は前記第１の貯蔵媒体内に混和できないものである、請求項１９を引用する請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記ヒートポンプの高温部は、第２の熱伝達流体の第２の熱伝達回路によって、前記第２のリザーバに熱結合される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第２の熱伝達流体は前記第２の貯蔵媒体内に混和できないものである、請求項１９を引用する請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１のリザーバは第３の熱伝達流体の第３の熱伝達回路によって、前記第１の熱力学回路内の凝縮器に熱結合される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記第３の熱伝達流体は前記第１の熱伝達流体と同じである、請求項２０を引用する請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第２のリザーバは、第４の熱伝達流体の第４の熱伝達回路によって、前記第２の熱力学回路内の蒸発器に熱結合される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記第４の熱伝達流体は前記第２の熱伝達流体と同じである、請求項２２を引用する請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記ヒートポンプが冷媒の冷凍回路を備える、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを有し、
前記ヒートポンプの低温部が前記冷凍蒸発器を備え、
前記ヒートポンプの高温部が前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える、
請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記冷凍膨張手段が冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含む、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体のいずれか又は両方が、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相が変わらない液体を含む、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行って前記第１のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備え、及び／又は、前記第２の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行って前記第２のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備える請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記第１のリザーバ及び前記第２のリザーバのいずれか又は両方が、一次側容器及び二次側容器を備える、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
前記第１の貯蔵媒体は、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第１の容器から前記二次側の第１の容器へと移動可能であり、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第１の容器から前記一次側の第１の容器へと移動可能な液体である、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記第２の貯蔵媒体は、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第２の容器から前記二次側の第２の容器へと移動可能であり、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第２の容器から前記一次側の第２の容器へと移動可能な液体である、請求項３３又は３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記第１のリザーバ及び前記第２のリザーバのいずれか又は両方に配置される１つ以上の熱交換器を更に備える請求項１〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
付加的な補助ヒートシンク手段を更に備え、前記付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが前記第１の加圧蒸気の凝縮に寄与しうるものである、請求項１〜３６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを更に備える請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を更に備える請求項１〜３８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的であって電気的若しくは機械的なエネルギー貯蔵手段を含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、請求項１〜４０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、−５０℃〜２００℃、又は−３０℃〜１００℃の温度において貯蔵される、請求項１〜４１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４３】
熱力学回路サイクル装置を動作させる方法であって、
（ａ）熱力学回路サイクル装置を設けるステップであって、前記熱力学回路サイクル装置は、
（ｉ）第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバと、
（ｉｉ）第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバと、
（ｉｉｉ）前記第１のリザーバに熱結合され、前記第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第２のリザーバに熱結合され、前記第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
（ｉｖ）第１の作動流体の、第１の熱力学回路であって、
前記第１の作動流体を気化させて、第１の加圧蒸気を生成する第１の蒸発器と、
前記第１の加圧蒸気を膨張させる第１の膨張器と、
前記第１の膨張器から受けた第１の作動流体を凝縮し、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与える第１の凝縮器であって、前記第１の凝縮器は前記第１のリザーバに熱結合される、第１の凝縮器と
を備える第１の熱力学回路と、
（ｖ）第２の作動流体の、第２の熱力学回路であって、
前記第２の作動流体を気化させて、第２の加圧蒸気を生成する第２の蒸発器であって、前記第２の蒸発器は前記第２のリザーバに熱結合される、第２の蒸発器と、
前記第２の加圧蒸気を膨張させる第２の膨張器と、
前記第２の膨張器から受けた第２の作動流体を凝縮し、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与える第２の凝縮器と
を備える第２の熱力学回路と
を有する、ステップと、
（ｂ）前記ヒートポンプにエネルギーを加えて、前記第１の貯蔵媒体を冷却し、前記第２の貯蔵媒体を加熱することによって、前記装置を充填モードにおいて動作させるステップと、
（ｃ）冷却された第１の貯蔵媒体を前記第１のリザーバ内に貯蔵し、加熱された第２の貯蔵媒体を前記第２のリザーバ内に貯蔵することによって、前記装置を貯蔵モードにおいて動作させるステップと、
（ｄ）補助熱源を使用して、前記第１の蒸発器において前記第１の加圧蒸気を生成し、前記第１の膨張器により前記第１の加圧蒸気を膨張させ、前記第１の凝縮器において前記第１の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第１の放出モードにおいて動作させるステップと、
（ｅ）前記第２のリザーバからの熱を使用して、前記第２の蒸発器において前記第２の加圧蒸気を生成し、前記第２の加圧蒸気を膨張させ、補助ヒートシンクを使用して、前記第２の凝縮器において前記第２の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第２の放出モードにおいて動作させるステップと
を含み、
ステップ（ｄ）及び（ｅ）は同時に、かつ互いに独立して実行可能である、方法。
【請求項４４】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関を含み、前記タービンは必要に応じて、ラジアルタービン、軸流タービン又は衝動タービンとすることができる、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含む、請求項４３又は４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第１の作動流体又は第２の作動流体を循環させるポンプを含む、請求項４３〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１の熱力学回路内のポンプを用いて、第１の作動流体を前記第１の凝縮器から前記第１の蒸発器に与えるステップと、
前記第２の熱力学回路内のポンプを用いて、第２の作動流体を前記第２の凝縮器から前記第２の蒸発器に与えるステップと
のいずれか又は両方を含む請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の熱力学回路内のポンプと前記第２の熱力学回路内のポンプとのいずれか又は両方は、遠心ポンプと、スライディングベーンポンプと、ジェロータポンプと、ジェローラポンプと、ギアポンプと、ダイヤフラムポンプと、ピストンポンプと、プランジャポンプと、蠕動ポンプと、ローブポンプとから選択される、請求項４６又は４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記装置が複数のポンプを備え、前記複数のポンプが共通のシャフトに取り付けられる、請求項４６〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器の一方が前記共通のシャフトに取り付けられる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器が共通のシャフトに取り付けられる、請求項４３〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記装置が、補助熱入力手段を介して前記第１の熱力学回路に補助熱を与える補助熱源を備える、請求項４３〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
前記補助熱源は、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、空調システム又は冷凍システムから廃棄される熱と、周囲水源と、地表源と、地熱源と、太陽熱源と、太陽池と、生物活性熱源と、工業プロセスからの廃熱と、発電技術の廃熱とのうちの１つ以上を含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記装置が補助ヒートシンクを備え、
前記補助ヒートシンクを用いて、前記第２の熱力学回路から補助熱出力手段を介して熱を受けるステップを含む請求項４３〜５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、周囲水源と、地表源と、廃冷源とのうちの１つ以上を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記第２の熱力学回路が付加的な補助熱入力手段を備え、付加的な補助熱が前記第２の加圧蒸気の生成に寄与しうる、請求項４３〜５５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
前記装置が付加的な補助熱源を備え、
前記補助熱源からの熱を用いて、前記充填モードと前記貯蔵モードと前記第１の放出モードと前記第２の放出モードとのいずれかにおいて前記第２の加圧蒸気の生成に寄与するステップを含む請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記装置が前記第１の蒸発器と前記第１の膨張器との間に第１の過熱器を備え、
前記第１の過熱器を用いて前記第１の作動流体を過熱するステップを含む請求項４３〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
前記装置が前記第２の蒸発器と前記第２の膨張器との間に第２の過熱器を備え、
前記第２の過熱器を用いて前記第２の作動流体を過熱するステップを含む請求項４３〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
前記装置が前記第２の凝縮器と前記第２の蒸発器との間に予熱器を備え、
前記予熱器を用いて前記第２の作動流体を加熱するステップを含む請求項４３〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含む、請求項４３〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の貯蔵媒体がカプセル化されていない材料を含み、
前記充填モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第１の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含む請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない材料を含み、
前記第２の放出モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第２の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含む請求項６１又は６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記ヒートポンプの低温部が、第１の熱伝達流体の第１の熱伝達回路によって前記第１のリザーバに熱結合される、請求項４３〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記第１の貯蔵媒体が、カプセル化されていない相変化材料を含み、前記第１の熱伝達流体は前記第１の貯蔵媒体内で混和できないものである、請求項６３を引用する請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記ヒートポンプの高温部は、第２の熱伝達流体の第２の熱伝達回路によって前記第２のリザーバに熱結合される、請求項４３〜６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第２の熱伝達流体は前記第２の貯蔵媒体内で混和できないものである、請求項６３を引用する請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記第１のリザーバは、第３の熱伝達流体の第３の熱伝達回路によって前記第１の熱力学回路内の凝縮器に熱結合される、請求項４３〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記第３の熱伝達流体が前記第１の熱伝達流体と同じである、請求項６４を引用する請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記第２のリザーバは、第４の熱伝達流体の第４の熱伝達回路によって前記第２の熱力学回路内の蒸発器に熱結合される、請求項４３〜６９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
前記第４の熱伝達流体が前記第２の熱伝達流体と同じである、請求項６６を引用する請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記ヒートポンプが冷媒の冷凍回路を備える、請求項４３〜７１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７３】
前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを含み、
前記ヒートポンプの低温部は前記冷凍蒸発器を備え、
前記ヒートポンプの高温部は前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える、
請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記冷凍膨張手段が冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体のいずれか又は両方が、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相が変わらない液体を含む、請求項４３〜７４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７６】
前記装置が、前記第１の貯蔵媒体又は前記第２の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行う手段を備え、
前記充填モードにおいて、前記第１の貯蔵媒体又は前記第２の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行い、前記第１のリザーバ又は前記第２のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制するステップを含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記第１のリザーバ及び前記第２のリザーバのいずれか又は両方が、一次側容器及び二次側容器を備える、請求項４３〜７６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７８】
前記第１の貯蔵媒体が液体であり、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第１の貯蔵媒体を前記一次側の第１の容器から前記二次側の第１の容器へと移動させるステップと、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第１の貯蔵媒体を前記二次側の第１の容器から前記一次側の第１の容器へと移動させるステップと
を含む請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記第２の貯蔵媒体が液体であり、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第２の貯蔵媒体を前記一次側の第２の容器から前記二次側の第２の容器へと移動させるステップと、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第２の貯蔵媒体を前記二次側の第２の容器から前記一次側の第２の容器へと移動させるステップと
を含む請求項７７又は７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記装置が、前記第１のリザーバ及び前記第２のリザーバのいずれか又は両方に配置された１つ以上の熱交換器を備える、請求項４３〜７９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８１】
前記装置が付加的な補助熱出力手段を備え、
前記付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが第１の加圧蒸気の凝縮に寄与しうる、請求項４３〜８０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８２】
前記装置が前記付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを備え、
前記付加的な補助ヒートシンクを用いて、前記第１の加圧蒸気の凝縮に寄与するステップを含む請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記第１の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第１の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第１の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第１の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項４３〜８２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８４】
前記第２の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第２の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第２の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第２の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項４３〜８３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８５】
前記装置が、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を備える、請求項４３〜８４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的であって電気的若しくは機械的なエネルギー貯蔵手段を含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記第１の放出モード及び前記第２の放出モードのいずれか又は両方によって出力されるエネルギーが所定の量に達するまで、前記付加的なエネルギー貯蔵手段を用いて電気エネルギーの出力を提供するステップを含む請求項８５又は８６に記載の方法。
【請求項８８】
第１の作動流体又は第２の作動流体を前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のいずれか又は両方に導入する前に、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のいずれか又は両方を駆動するステップを含む請求項４３〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
前記装置が、前記第１の膨張器の入力に接続される第１の配管を備え、
前記第１の放出モードの動作前にガス状の第１の作動流体により前記第１の配管を加圧するステップを含む請求項４３〜８８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９０】
前記装置が、前記第２の膨張器の入力に接続される第２の配管を備え、
前記第２の放出モードの動作前にガス状の第２の作動流体により前記第２の配管を加圧するステップを含む請求項４３〜８９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９１】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、請求項４３〜９０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９２】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方を、前記貯蔵モードにおいて−５０℃〜２００℃の温度、又は−３０℃〜１００℃の温度において貯蔵するステップを含む請求項４３〜９１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９３】
添付の図面を参照してこれまでに実質的に示した装置又は方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱力学サイクル装置及び熱力学サイクル方法に関し、具体的には、エネルギー貯蔵のために、及び／又は廃熱を貯蔵するために、そして廃熱を有用なエネルギーとして再生利用するために使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
発電の分野において、電力の需要と供給との間にずれがあることが多い。
【０００３】
一例として、発電所を需要に合うように断続的に稼働させるのではなく、連続して稼働させるほうが、多くの場合に効率的である。しかし、電気エネルギーの需要が絶えず変化することを考えると（特に、夜間には需要が著しく低下する）、発電所からの電力供給が、需要のレベルを頻繁に上回る可能性がある。別の例として、再生可能エネルギー発電機は、再生可能エネルギー源（例えば、風力、波力、太陽光強度等）が本来、予測不可能であり、変わりやすいことに起因して、多くの場合にエネルギーレベルの変動をもたらす。こうした時間に左右される出力が需要に合うことはほとんどない。したがって、発電機によって生成されたエネルギーを（例えば、そのようなエネルギーの需要が低いときに）貯蔵するために使用でき、後に（例えば、需要が増加したときに）、貯蔵されたエネルギーを変換して電気エネルギーに戻すことができるエネルギー貯蔵システムが必要とされている。
【０００４】
いくつかのエネルギー貯蔵システムが知られており、これらのシステムには、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、その後、後に使用するために熱エネルギーが貯蔵されるシステムが含まれる。
【０００５】
揚水発電（ＰＳＨ：pumped-storage hydroelectricity）は、大規模に利用可能であり、現時点で最も実効的なエネルギー貯蔵の解決策である。しかし、ＰＳＨは、その高い充放電効率（round trip efficiency）から利益を得るために、山と湖又は貯水池を必要とする。他の大規模エネルギー貯蔵解決策も議論されているが、それらは多くの場合、他の地理的な制約のある特徴（例えば、岩塩空洞（salt caverns））、複雑な極低温設備及びバッテリ（これらは、その経済性を疑わせるほど有効期間が限られるだけでなく、空調環境も必要とし、それにより寄生損失が加わり、著しい安全性の問題が生じる）を必要とするか、又は寿命の終了時に廃止処理を行い、危険物を廃棄することに関連する高いコストを伴う。
【０００６】
多くの工業的及び商業的なプロセスにおいて、熱という形で廃エネルギーが生まれる。この廃熱を取り込み、使用可能な電力に変換できれば、経済的な利益だけではなく、環境上の利益ももたらされる。そのため、エネルギーを貯蔵すること、及び／又は廃熱を取り込むことの両方が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、従来技術に関係する不都合な点を解決することを目的とする。
【０００８】
本発明の実施形態は、エネルギーを貯蔵し、及び／又は廃熱を取り込み、その廃熱を有用なエネルギーに変換することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、熱力学サイクル装置であって、
（ｉ）第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバと、
（ｉｉ）第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバと、
（ｉｉｉ）前記第１のリザーバに熱結合され、前記第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第２のリザーバに熱結合され、前記第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
（ｉｖ）第１の作動流体の第１の熱力学回路であって、
前記第１の作動流体を気化させて、第１の加圧蒸気を生成する第１の蒸発器と、
前記第１の加圧蒸気を膨張させる第１の膨張器と、
前記第１の膨張器から受け取った第１の作動流体を凝縮し、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与える第１の凝縮器であって、該第１の凝縮器は前記第１のリザーバに熱結合される、第１の凝縮器と、
を備える、第１の熱力学回路と、
（ｖ）第２の作動流体の第２の熱力学回路であって、
前記第２の作動流体を気化させて、第２の加圧蒸気を生成する第２の蒸発器であって、該第２の蒸発器は前記第２のリザーバに熱結合される、第２の蒸発器と、
前記第２の加圧蒸気を膨張させる第２の膨張器と、
前記第２の膨張器から受け取った第２の作動流体を凝縮し、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与える第２の凝縮器と
を備える、第２の熱力学回路と、
（ｖｉ）補助熱が前記第１の加圧蒸気の生成に寄与できるように、前記第１の熱力学回路に熱的に接続される補助熱入力手段と、
（ｖｉｉ）前記第２の作動流体が補助ヒートシンクに熱を逃がすことができるように、前記第２の熱力学回路に熱的に接続される補助熱出力手段と
を備え、
前記第１の熱力学回路は前記第２の熱力学回路から熱的に独立しており、該装置は、充填モード（charging mode）、貯蔵モード（storage mode）及び放出モード（discharge mode）において動作可能であり、
前記充填モードでは、前記ヒートポンプにエネルギーが加えられて、前記第１の貯蔵媒体が冷却され、前記第２の貯蔵媒体が加熱され、
前記貯蔵モードでは、冷却された第１の貯蔵媒体が前記第１のリザーバに貯蔵され、加熱された第２の貯蔵媒体が前記第２のリザーバに貯蔵され、
前記放出モードでは、前記第１の加圧蒸気が前記第１の膨張器によって膨張し、及び／又は前記第２の加圧蒸気が前記第２の膨張器によって膨張する、熱力学サイクル装置が提供される。
【００１０】
或る特定の実施形態では、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関のうちの１つを含むことができる。付加的又は代替的に、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機（expander-generator）を含むことができる。
【００１１】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第１の作動流体又は第２の作動流体を循環させるポンプを含むことができる。前記第１の凝縮器は前記第１の熱力学回路の前記ポンプを介して、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与えるように構成することができ、及び／又は前記第２の凝縮器は前記第２の熱力学回路の前記ポンプを介して、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与えるように構成することができる。前記第１の熱力学回路の前記ポンプ及び／又は前記第２の熱力学回路の前記ポンプは、遠心ポンプ、スライディングベーンポンプ、ジェロータポンプ、ジェローラポンプ、ギアポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、蠕動ポンプ又はローブポンプから選択することができる。前記装置は、複数のポンプを備えることができ、前記複数のポンプは共通のシャフト上に取り付けられる。前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器の一方又は両方は、前記ポンプのうちの１つ以上の前記共通のシャフトとすることができる共通のシャフト上に取り付けることができる。
【００１２】
前記装置は、前記補助熱入力手段を介して前記補助熱を前記第１の熱力学回路に与える補助熱源を更に備えることができる。前記補助熱源は、外部環境空気源、建物内部からの空気源、空調又は冷凍システムから廃棄される熱、周囲水源、地表源、地熱源、太陽熱源、太陽池、生物活性熱源、工業プロセスからの廃熱、発電技術からの廃熱のうちの１つ以上を含むことができる。
【００１３】
前記装置は、前記補助熱出力手段を介して熱を前記第２の熱力学回路から受け取る補助ヒートシンクを更に備えることができる。前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源、建物内部からの空気源、周囲水源、地表源及び廃冷源のうちの１つ以上を含むことができる。
【００１４】
前記第２の熱力学回路は、付加的な補助熱が前記第２の加圧蒸気の前記生成に寄与できるように、付加的な補助熱入力手段を備えることができる。前記装置は、前記付加的な補助熱入力手段を介して前記付加的な補助熱を前記第２の熱力学回路に与える付加的な補助熱源を更に備えることができる。
【００１５】
前記装置は、前記第１の蒸発器と前記第１の膨張器との間に第１の過熱器を更に備えることができ、前記第１の過熱器は前記第１の作動流体を過熱する。
【００１６】
前記装置は、前記第２の蒸発器と前記第２の膨張器との間に第２の過熱器を更に備えることができ、前記第２の過熱器は前記第２の作動流体を過熱する。
【００１７】
前記装置は、前記第２の凝縮器と前記第２の蒸発器との間に予熱器を更に備えることができ、前記予熱器は前記第２の作動流体を加熱する。
【００１８】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含むことができる。
【００１９】
前記ヒートポンプの低温部は、第１の熱伝達流体の第１の熱伝達回路によって前記第１のリザーバに熱結合することができる。前記第１の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含むことができ、前記第１の熱伝達流体は前記第１の貯蔵媒体内に混和できないものとすることができる。
【００２０】
前記ヒートポンプの高温部は、第２の熱伝達流体の第２の熱伝達回路によって、前記第２のリザーバに熱結合することができる。前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含むことができ、前記第２の熱伝達流体は前記第２の貯蔵媒体内に混和できないものとすることができる。
【００２１】
前記第１のリザーバは第３の熱伝達流体の第３の熱伝達回路によって、前記第１の熱力学回路内の凝縮器に熱結合することができる。前記第３の熱伝達流体は前記第１の熱伝達流体と同じとすることができる。
【００２２】
前記第２のリザーバは、第４の熱伝達流体の第４の熱伝達回路によって、前記第２の熱力学回路内の蒸発器に熱結合することができる。前記第４の熱伝達流体は前記第２の熱伝達流体と同じとすることができる。
【００２３】
或る特定の実施形態では、前記ヒートポンプは冷媒の冷凍回路を備えることができる。前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを含むことができ、前記ヒートポンプの前記低温側は前記冷凍蒸発器を備え、前記ヒートポンプの前記高温側は前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える。前記冷凍膨張手段は冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含むことができる。
【００２４】
前記第１の貯蔵媒体及び／又は前記第２の貯蔵媒体は、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相を変更しない液体を含むことができる。前記装置は、前記第１の貯蔵媒体を攪拌及び／又は再循環させて前記第１のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備え、及び／又は、前記第２の貯蔵媒体を攪拌及び／又は再循環させて前記第２のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備えることができる。
【００２５】
前記第１のリザーバ及び前記第２のリザーバはそれぞれ、一次側容器及び二次側容器を備えることができる。前記第１の貯蔵媒体は、前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第１の容器から前記二次側の第１の容器へと移動可能であり、前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第１の容器から前記一次側の第１の容器へと移動可能な液体とすることができる。前記第２の貯蔵媒体は、前記装置が充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第２の容器から前記二次側の第２の容器へと移動可能であり、前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第２の容器から前記一次側の第２の容器へと移動可能な液体とすることができる。
【００２６】
前記装置は、前記第１のリザーバ及び／又は前記第２のリザーバ内に配置される１つ以上の熱交換器を更に備えることができる。
【００２７】
前記装置は、付加的な補助ヒートシンク手段であって、該付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが前記第１の加圧蒸気の前記凝縮に寄与できるように配置される、付加的な補助ヒートシンク手段を更に備えることができる。前記装置は、前記付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを更に備えることができる。
【００２８】
前記装置は、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器によって出力されるエネルギーから独立してエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を更に備えることができる。前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的な電気的若しくは機械的エネルギー貯蔵手段を含むことができる。
【００２９】
或る特定の実施形態では、前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含むことができる。
【００３０】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、−５０℃〜２００℃、又は−３０℃〜１００℃の温度において貯蔵されるように構成することができる。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、熱力学回路サイクル装置を動作させる方法であって、
（ａ）熱力学回路サイクル装置を設けるステップであって、該熱力学回路サイクル装置は、
（ｉ）第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバと、
（ｉｉ）第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバと、
（ｉｉｉ）前記第１のリザーバに熱結合され、前記第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第２のリザーバに熱結合され、前記第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
（ｉｖ）第１の作動流体の第１の熱力学回路であって、
前記第１の作動流体を気化させて、第１の加圧蒸気を生成する第１の蒸発器と、
前記第１の加圧蒸気を膨張させる第１の膨張器と、
前記第１の膨張器から受け取った第１の作動流体を凝縮し、第１の作動流体を前記第１の蒸発器に与える第１の凝縮器であって、該第１の凝縮器は前記第１のリザーバに熱結合される、第１の凝縮器と
を備える、第１の熱力学回路と、
（ｖ）第２の作動流体の第２の熱力学回路であって、
前記第２の作動流体を気化させて、第２の加圧蒸気を生成する第２の蒸発器であって、該第２の蒸発器は前記第２のリザーバに熱結合される、第２の蒸発器と、
前記第２の加圧蒸気を膨張させる第２の膨張器と、
前記第２の膨張器から受け取った第２の作動流体を凝縮し、第２の作動流体を前記第２の蒸発器に与える第２の凝縮器と
を備える、第２の熱力学回路と
を備える、ステップと、
（ｂ）前記ヒートポンプにエネルギーを加えて、前記第１の貯蔵媒体を冷却し、前記第２の貯蔵媒体を加熱することによって、前記装置を充填モードにおいて動作させるステップと、
（ｃ）冷却された第１の貯蔵媒体を前記第１のリザーバ内に貯蔵し、加熱された第２の貯蔵媒体を前記第２のリザーバ内に貯蔵することによって前記装置を貯蔵モードにおいて動作させるステップと、
（ｄ）補助熱源を使用して、前記第１の蒸発器において前記第１の加圧蒸気を生成し、前記第１の膨張器で前記第１の加圧蒸気を膨張させ、前記第１の凝縮器において前記第１の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第１の放出モードにおいて動作させるステップと、
（ｅ）前記第２のリザーバからの熱を使用して、前記第２の蒸発器において前記第２の加圧蒸気を生成し、前記第２の加圧蒸気を膨張させ、補助ヒートシンクを使用して、前記第２の凝縮器において前記第２の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第２の放出モードにおいて動作させるステップと
を含み、
ステップ（ｄ）及び（ｅ）は同時に、かつ互いに独立して実行可能である、方法が提供される。
【００３２】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関のうちの１つを含むことができ、前記タービンは任意選択で、ラジアルタービン、軸流タービン又は衝動タービンとすることができる。
【００３３】
前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含むことができる。
【００３４】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第１の作動流体又は第２の作動流体を循環させるポンプを含むことができる。
【００３５】
前記方法は、前記第１の熱力学回路の前記ポンプを用いて、第１の作動流体を前記第１の凝縮器から前記第１の蒸発器に与え、及び／又は前記第２の熱力学回路の前記ポンプを用いて、第２の作動流体を前記第２の凝縮器から前記第２の蒸発器に与えるステップを含むことができる。前記第１の熱力学回路のポンプ及び／又は前記第２の熱力学回路のポンプは、遠心ポンプ、スライディングベーンポンプ、ジェロータポンプ、ジェローラポンプ、ギアポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、蠕動ポンプ又はローブポンプから選択することができる。前記装置は複数のポンプを備えることができ、前記複数のポンプは共通のシャフト上に取り付けられる。前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器の一方又は両方は、前記ポンプのうちの１つ以上を含む場合も含まない場合もある前記共通のシャフト上に取り付けることができる。
【００３６】
前記装置は、補助熱入力手段を介して前記第１の熱力学回路に補助熱を与える補助熱源を備えることができる。前記補助熱源は、外部環境空気源、建物内部からの空気源、空調又は冷凍システムから廃棄される熱、周囲水源、地表源、地熱源、太陽熱源、太陽池、生物活性熱源、工業プロセスからの廃熱、発電技術からの廃熱のうちの１つ以上を含むことができる。
【００３７】
前記装置は補助ヒートシンクを備えることができ、前記方法は、前記補助ヒートシンクを用いて、補助熱出力手段を介して前記第２の熱力学回路から熱を受け取るステップを含む。前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源、建物内部からの空気源、周囲水源、地表源及び廃冷源のうちの１つ以上を含むことができる。前記第２の熱力学回路は、付加的な補助熱が前記第２の加圧蒸気の生成に寄与できるように、付加的な補助熱入力手段を備えることができる。前記装置は付加的な補助熱源を備えることができ、前記方法は、前記補助熱源からの熱を用いて、前記充填モード、前記貯蔵モード、前記第１の放出モード及び前記第２の放出モードのいずれかにおいて前記第２の加圧蒸気の生成に寄与することを含むことができる。
【００３８】
前記装置は前記第１の蒸発器と前記第１の膨張器との間に第１の過熱器を備えることができ、前記方法は、前記第１の過熱器を用いて前記第１の作動流体を過熱するステップを含むことができる。
【００３９】
前記装置は前記第２の蒸発器と前記第２の膨張器との間に第２の過熱器を備えることができ、前記方法は前記第２の過熱器を用いて前記第２の作動流体を過熱するステップを含むことができる。
【００４０】
前記装置は前記第２の凝縮器と前記第２の蒸発器との間に予熱器を備えることができ、前記方法は、前記予熱器を用いて前記第２の作動流体を加熱するステップを含むことができる。
【００４１】
前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含むことができる。
【００４２】
前記第１の貯蔵媒体はカプセル化されていない材料を含むことができ、前記方法は、前記充填モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体（fragmentable solid）として前記第１の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含むことができる。
【００４３】
前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない材料を含むことができ、前記方法は、前記第２の放出モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第２の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含むことができる。
【００４４】
前記ヒートポンプの低温部は、第１の熱伝達流体の第１の熱伝達回路によって前記第１のリザーバに熱結合することができる。前記第１の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含むことができ、前記第１の熱伝達流体は前記第１の貯蔵媒体内で混和できないものとすることができる。
【００４５】
前記ヒートポンプの高温部は、第２の熱伝達流体の第２の熱伝達回路によって前記第２のリザーバに熱結合することができる。前記第２の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含むことができ、前記第２の熱伝達流体は前記第２の貯蔵媒体内で混和できないものとすることができる。
【００４６】
前記第１のリザーバは、第３の熱伝達流体の第３の熱伝達回路によって前記第１の熱力学回路の凝縮器に熱結合することができる。前記第３の熱伝達流体は前記第１の熱伝達流体と同じとすることができる。
【００４７】
前記第２のリザーバは、第４の熱伝達流体の第４の熱伝達回路によって前記第２の熱力学回路の蒸発器に熱結合することができる。前記第４の熱伝達流体は前記第２の熱伝達流体と同じとすることができる。
【００４８】
或る特定の実施形態では、前記ヒートポンプは冷媒の冷凍回路を備えることができる。前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを含むことができ、前記ヒートポンプの前記低温側は前記冷凍蒸発器を備え、前記ヒートポンプの前記高温側は前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える。前記冷凍膨張手段は、冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含むことができる。
【００４９】
前記第１の貯蔵媒体及び／又は前記第２の貯蔵媒体は、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相を変更しない液体を含むことができる。
【００５０】
前記装置は、前記第１の貯蔵媒体／前記第２の貯蔵媒体を攪拌及び／又は再循環させる手段を備えることができ、前記方法は、前記充填モード中に、前記第１の貯蔵媒体／前記第２の貯蔵媒体を攪拌及び／又は再循環させて、前記第１のリザーバ／前記第２のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制するステップを含むことができる。
【００５１】
前記第１のリザーバ及び／又は前記第２のリザーバはそれぞれ、一次側容器及び二次側容器を備えることができる。
【００５２】
或る特定の実施形態では、前記第１の貯蔵媒体は液体とすることができ、前記方法は、前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第１の貯蔵媒体を前記一次側の第１の容器から前記二次側の第１の容器へと移動させるステップと、前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第１の貯蔵媒体を前記二次側の第１の容器から前記一次側の第１の容器へと移動させるステップとを含むことができる。
【００５３】
或る特定の実施形態では、前記第２の貯蔵媒体は液体とすることができ、前記方法は、前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第２の貯蔵媒体を前記一次側の第２の容器から前記二次側の第２の容器へと移動させるステップと、前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第２の貯蔵媒体を前記二次側の第２の容器から前記一次側の第２の容器へと移動させるステップとを含むことができる。
【００５４】
前記装置は前記第１のリザーバ及び／又は前記第２のリザーバ内に配置される１つ以上の熱交換器を備えることができる。
【００５５】
前記装置は、付加的な補助熱出力手段であって、該付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが第１の加圧蒸気の凝縮に寄与できるように配置される、付加的な補助熱出力手段を備えることができる。前記装置は前記付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを備えることができ、前記方法は、前記付加的な補助ヒートシンクを用いて、前記第１の加圧蒸気の凝縮に寄与することを含むことができる。
【００５６】
前記第１の熱力学回路はシングルパス熱交換器を備えることができ、前記方法は、前記装置を前記第１の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第１の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第１の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含むことができる。
【００５７】
前記第２の熱力学回路はシングルパス熱交換器を備えることができ、前記方法は、前記装置を前記第２の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第２の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第２の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含むことができる。
【００５８】
前記装置は、前記第１の膨張器及び前記第２の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を備えることができる。前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的な電気的若しくは機械的エネルギー貯蔵手段を含むことができる。
【００５９】
前記方法は、前記第１の放出モード及び／又は前記第２の放出モードによって出力されるエネルギーが所定の量に達するまで、前記付加的なエネルギー貯蔵手段を用いて、電気エネルギーの出力を与えるステップを含むことができる。
【００６０】
前記方法は、第１の作動流体／第２の作動流体を前記第１の膨張器及び／又は前記第２の膨張器に導入する前に、前記第１の膨張器及び／又は前記第２の膨張器を駆動するステップを含むことができる。
【００６１】
前記装置は、前記第１の膨張器の入力に接続される第１の配管を備えることができ、前記方法は、前記第１の放出モードの動作前にガス状の第１の作動流体により前記第１の配管を加圧するステップを含むことができる。
【００６２】
前記装置は、前記第２の膨張器の入力に接続される第２の配管を備えることができ、前記方法は、前記第２の放出モードの動作前にガス状の第２の作動流体により前記第２の配管を加圧するステップを含むことができる。
【００６３】
前記第１の熱力学回路及び前記第２の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含むことができる。
【００６４】
前記方法は、前記第１の貯蔵媒体及び前記第２の貯蔵媒体の一方又は両方を、前記貯蔵モードにおいて−５０℃〜２００℃の温度、又は−３０℃〜１００℃の温度において貯蔵するステップを含むことができる。
【００６５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置の説明図である。
【図２】本発明の代替の実施形態による、熱力学サイクル装置の説明図である。
【図３】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図４】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図５】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図６】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図７】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図８】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の詳細図である。
【図９】本発明の更なる実施形態による、熱力学サイクル装置の説明図である。
【図１０】本発明の実施形態によって利用可能なパワーエレクトロニクス装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
図１に、本発明の一実施形態による熱力学サイクル装置１００を示す。熱力学サイクル装置１００は、第１の貯蔵媒体を収容する第１のリザーバ（reservoir）２と、第２の貯蔵媒体を収容する第２のリザーバ３と、ヒートポンプ１とを備える。ヒートポンプ１は、第１のリザーバ２に熱結合され、第１の貯蔵媒体を冷却する低温部と、第２のリザーバ３に熱結合され、第２の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有する。
【００６８】
本発明の別の実施形態（図３〜図８に示す）に関して後に説明するように、ヒートポンプ１は、冷凍圧縮器１９と、冷凍蒸発器２０と、冷凍凝縮器２１と、膨張弁２２（又は冷媒膨張器）の形をとることができ、冷媒を収容する冷凍膨張手段とを有する冷凍回路とすることができる。そのような実施形態において、ヒートポンプ１の低温側は冷凍蒸発器２０を備えることができ、ヒートポンプ１の高温側は冷凍凝縮器２１を備えることができる。代替の実施形態では、ヒートポンプ１は、代替の適切なヒートポンプを備えることができ、必ずしも、図を参照しながら本明細書にて説明する特定のヒートポンプには限定されない。例えば、上記の冷凍回路の冷凍凝縮器２１は、ガス冷却器とすることができる。
【００６９】
熱力学サイクル装置１００は更に、第１作動流体２３の第１熱力学回路４と、第２作動流体２４の第２熱力学回路５とを備える。
【００７０】
第１の熱力学回路４は、第１の蒸発器９と、第１の膨張器６と、第１の凝縮器７とを備える。図示される非限定的な実施形態において、第１の熱力学回路４は、第１の作動流体２３を送り込む第１のポンプ８を有する。しかし、代替の実施形態では、第１の作動流体２３を循環させて、その流体中に圧力差を生み出す他の手段が設けられる場合もある。第１の蒸発器９は、第１の作動流体２３を気化させ、第１の加圧蒸気を生成する。第１の膨張器６は、第１の加圧蒸気を受け取り、膨張させる。或る特定の実施形態において、第１の膨張器６は、電気エネルギーを生成することができる膨張器発電機（expander generator）とすることができる。代替の実施形態では、第１の膨張器６は、機械的作用を他の構成要素（例えば、シャフト）に与えるように構成することができる。或る特定の実施形態において、第１の膨張器６は、軸流タービン、ラジアルタービン、衝動タービン（又は他のタイプのタービン）、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関とすることができる。第１の凝縮器７は、第１の膨張器６から受け取った第１の作動流体を凝縮し、第１の作動流体２３を（図１に示される実施形態では、第１のポンプ８を介して）第１の蒸発器９に与え、これにより、第１の熱力学回路４が完成する。第１の凝縮器７は第１のリザーバ２に熱結合されるが、第１の作動流体２３は、第１のリザーバ２内に収容される第１の貯蔵媒体とは別のものである。
【００７１】
第２の熱力学回路５は、第２の蒸発器１４と、第２の膨張器１１と、第２の凝縮器１２とを備える。図示される非限定的な実施形態において、第２の熱力学回路５は、第２の作動流体２４を送り込む第２のポンプ１３を有する。しかし、代替の実施形態では、第２の作動流体２４を循環させて、その流体中に圧力差を生み出す他の手段が設けられる場合もある。第２の蒸発器１４は、第２の作動流体２４を気化させ、第２の加圧蒸気を生成する。第２の蒸発器１４は第２のリザーバ３に熱結合されるが、第２の作動流体２４は、第２のリザーバ３内に収容される第２の貯蔵媒体とは別のものである。第２の膨張器１１は、第２の加圧蒸気を受け取り、膨張させる。或る特定の実施形態において、第２の膨張器１１は、電気エネルギーを生成することができる膨張器発電機とすることができる。代替の実施形態では、第２の膨張器１１は、機械的作用を他の構成要素（例えば、シャフト）に与えるように構成することができる。或る特定の実施形態において、第２の膨張器１１は、ラジアルタービン、軸流タービン、衝動タービン（又は他のタイプのタービン）、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関とすることができる。第２の凝縮器１２は、第２の膨張器１１から受け取った第２の作動流体２４を凝縮し、第２の作動流体２４を（図１に示される実施形態では、第２のポンプ１３を介して）第２の蒸発器１４に与える。
【００７２】
図１の熱力学サイクル装置１００は補助熱源１０を有する。補助熱源から第１の作動流体２３に対して補助熱が送られ、第１の加圧蒸気の生成に寄与できるように、補助熱源は補助熱入力手段を介して第１の熱力学回路４に熱的に接続される。補助熱源１０は、第１の作動流体２３を気化させるエネルギーを与える。或る特定の実施形態において、補助熱源１０は、豊富で自由に入手可能な熱源とすることができ、この熱源は任意選択で、空気、建物若しくは住居内部からの空気、地表源、太陽池、貯水池及び湖等から供給される河川、用水路の水の流れ、既存の空調又は冷凍回路から廃棄される熱、又は非常に低位（very low grade）の廃熱等の、周囲熱源又は環境熱源とすることができる。補助熱源１０から熱が抽出されると、結果として生じる冷却を用いて、建物又は住居の内部を冷却することができる。例えば、補助熱源１０が建物又は住居の内部からの空気である場合には、その熱は空気から抽出することができ、冷却された空気を建物又は住居の内部に戻すことができ、それゆえ、空調システムとしての役割を果たす。
【００７３】
さらに、図１の熱力学サイクル装置１００は補助ヒートシンク１５を有する。第２の作動流体２４が補助ヒートシンク１５に熱を逃がすことができるように、補助ヒートシンクは補助熱出力手段を介して第２の熱力学回路５に熱的に接続される。補助熱入力手段及び／又は補助熱出力手段は、第１の作動流体２３及び第２の作動流体２４と、補助熱源１０及び補助ヒートシンク１５との間でそれぞれ熱エネルギーを伝達する熱交換器又は任意の他の適切な手段とすることができる。補助ヒートシンク１５は、第２の膨張器１１を出た後の第２の作動流体２４から熱を除く手段を提供し、そのような熱損失は、第２の作動流体２４の凝縮に（少なくとも部分的に）寄与する。或る特定の好ましい実施形態において、補助ヒートシンク１５は、理想的には、可能な限り温度が低く、大きい熱吸収容量を有する。適切な補助ヒートシンク１５の例は、限定はしないが、空気、建物又は住居の内部からの空気、河川の流れ、用水路水源、地表源、貯水池及び湖等の、周囲熱源又は環境熱源を含む。建物又は住居の内部からの空気が補助ヒートシンク１５として使用される実施形態では、空気は、その後、加熱され、建物又は住居に戻され、その内部に暖房を提供することができる。そのような実施形態では、装置１００は、部分的には、建物又は住居用のスペースヒータとしての役割を果たすことができる。
【００７４】
或る特定の実施形態において、第１の熱力学回路４は、第２の熱力学回路５との間で熱を交換する手段が設けられていないという限りにおいて、第２の熱力学回路５から熱的に独立している。
【００７５】
熱力学サイクル装置１００は、充填モード（チャージモード）（charging mode）、貯蔵モード（ストレージモード）（storage mode）及び放出モード（ディスチャージモード）（discharge mode）において動作可能である。
充填モード（チャージモード）では、ヒートポンプ１にエネルギーが与えられ、第１のリザーバ２内の第１の貯蔵媒体が冷却され、第２のリザーバ３内の第２の貯蔵媒体が加熱される。すなわち、ヒートポンプ１を動作させるためにエネルギー（例えば、電気及び／又は機械）が与えられる。ヒートポンプ１に与えられるエネルギーは、装置１００によって貯蔵されることになるエネルギーである。
貯蔵モード（ストレージモード）では、冷却された第１の貯蔵媒体が第１のリザーバ内に貯蔵され、加熱された第２の貯蔵媒体が第２のリザーバ内に貯蔵される。第１のリザーバ２及び／又は第２のリザーバ３は、貯蔵モードにおいて該リザーバからの熱損失を低減するために断熱することができる。
放出モード（ディスチャージモード）では、第１の加圧蒸気が第１の膨張器６によって膨張し、及び／又は第２の加圧蒸気が第２の膨張器１１によって膨張する。
このようにして、充填モードにおいて熱力学サイクル装置１００にエネルギーを入力することができ、貯蔵モードにおいてエネルギーを貯蔵することができ、必要とされるときに、第１の膨張器６及び第２の膨張器１１の一方又は両方を動作させることによって、放出モードにおいて放出を行うことができる。すなわち、第１の放出モードは、（第１の熱力学回路４、詳細には、第１の膨張器６を動作させて）第１のリザーバ２からの放出を可能にする場合があり、第２の放出モードは、（第２の熱力学回路５、詳細には、第２の膨張器１１を動作させて）第２のリザーバからの放出を可能にする場合があり、第１の放出モード及び第２の放出モードは一緒に、又は互いに別々に動作する場合がある。第１の膨張器６及び／又は第２の膨張器１１が膨張器発電機である場合には、装置１００から電気エネルギーを再生することができる。代替の実施形態では、エネルギーは異なる形（例えば、機械エネルギー）で再生することができる。
【００７６】
第１の凝縮器７と第１のリザーバ２との間の熱結合の結果として、第１のリザーバ２の温度によって第１の熱力学回路４の低い方の温度が決定される。第１のリザーバ２は充填モードにおいてヒートポンプ１によって冷却されるので、低温の第１のリザーバ２が、第１の放出モードにおける第１の作動流体２３の凝縮を助長する。補助熱源１０は、第１の作動流体２３を気化させるエネルギーを与え、図１の実施形態では、第１の熱力学回路４の高い方の温度を決定する。
【００７７】
第２のリザーバ３と第２の蒸発器１４との間の熱結合によって、第２のリザーバ３から第２の蒸発器１４に熱を伝達できるようになり、第２の放出モードにおいて動作するときに第２の作動流体２４の気化を助長する。図１に示される実施形態において、第２の熱力学回路５の高い方の温度は第２のリザーバ３の温度によって決定される（それは、充填モードにおいて動作するときにヒートポンプ１によって高められる）。第２の熱力学回路５の低い方の温度は、補助ヒートシンク１５によって決定される。
【００７８】
第１の熱力学回路４及び／又は第２の熱力学回路５は、限定はしないが、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、任意の適切な熱力学サイクルの動作を可能にする回路を備えることができる。
【００７９】
図２に、本発明の代替の実施形態による、図１の熱力学サイクル装置１００の変形形態２００を示す。図２の装置２００は図１の装置１００と同じであるが、第１の過熱器１６、第２の予熱器１７及び第２の過熱器１８を更に含む。
【００８０】
第１の過熱器１６は、第１の熱力学回路４内の第１の蒸発器９と、第１の膨張器６との間に配置される。第１の過熱器１６は、第１の蒸発器９を出た後に、第１の膨張器６によって膨張させる前に、第１の作動流体２３に熱を与えるように構成される。第１の過熱器１６によって与えられる熱は、廃熱とすることができるか、又は二次熱源からの熱とすることができる。
【００８１】
第２の予熱器１７は、第２の熱力学回路５内の第２の凝縮器１２と、第２の蒸発器１４との間（より詳細には、第２のポンプ１３と第２の蒸発器１４との間）に配置される。第２の予熱器１７は、第２の作動流体２４が第２の蒸発器１４に入る前に予熱するように構成される。第２の予熱器１７は、廃熱を利用することができるか、又は二次熱源とすることができる。
【００８２】
第２の過熱器１８は、第２の熱力学回路５内の第２の蒸発器１４と、第２の膨張器１１との間に配置される。第２の過熱器１８は、第２の作動流体２４が第２の蒸発器１４を出た後に、第２の膨張器１１によって膨張させる前に、第２の作動流体２４を加熱するように構成される。第２の過熱器１８によって与えられる熱は、廃熱とすることができるか、又は二次熱源からの熱とすることができる。
【００８３】
本発明による更なる実施形態を、図３〜図９を参照しながら以下に説明する。説明される全ての実施形態において、同じ参照番号は同じ構成要素及び特徴に対応する。
【００８４】
図３に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置３００を示す。図３の実施形態において、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３内のそれぞれ第１の貯蔵媒体及び第２の貯蔵媒体として、カプセル化された（encapsulated）相変化材料（又は相変化物質）（ＰＣＭ：phase change material）が利用される。ＰＣＭは、ＰＣＭが液体から固体に、又はその逆に相が変わるのに応じて、比較的一定の温度において蓄熱又は放熱することができる。
【００８５】
第１のリザーバ３内の第１の（「低温側」）ＰＣＭは、第１の作動流体２３がＰＣＭと直接接触せず、ＰＣＭが動作中に第１のリザーバ２から流れ出ないように、カプセル化された相変化材料である。カプセル化は、第１の作動流体２３がＰＣＭ材料（例えば、複数のカプセル化された球体、平板、複数の管による積重体、ハニカム体等）と良好に熱接触できるようにし、動作中に第１の作動流体２３が第１のリザーバ２を通って流れるのを著しく妨げないように構成される。この実施形態において、第１のリザーバ２は、第１の凝縮器７としての役割も果たす。
【００８６】
充填モードにおいて動作する前に、第１のポンプ８が動作するときに、第１の作動流体２３を第１のリザーバ２から冷凍蒸発器２０に向かわせるように弁２７が設定される。第１のリザーバ２から先行する動作中に完全に（すなわち、第１の放出モードの動作によって）放出が行われた場合には、この段階において低温側ＰＣＭは完全に液体になり、好ましくは融点温度になるが、構成によっては、融点よりわずかに高い場合がある。
【００８７】
第２のリザーバ３内の第２の（「高温側」）ＰＣＭは、第２の作動流体２４がＰＣＭと直接接触せず、動作中にＰＣＭが第２のリザーバ３から流れ出ないように、カプセル化された相変化材料である。カプセル化は、第２の作動流体２４がＰＣＭ材料（例えば、複数のカプセル化された球体、平板、複数の管による積重体、ハニカム体等）と良好に熱接触できるようにし、動作中に第２の作動流体２４が第２のリザーバ３を通って流れるのを著しく妨げないように構成される。この実施形態において、第２のリザーバ３は、第２の蒸発器１４としての役割も果たす。
【００８８】
充填モードにおいて動作する前に、任意選択の遮断弁４０及び４２が開けられる場合があり（存在する場合）、任意選択の遮断弁４１及び４３が閉じられる場合がある（存在する場合）。任意選択の三方弁３２及び３３が、（ポンプ２９が第２の作動流体２４を循環させるように動作するときに）第２の作動流体２４を、第２のリザーバ３から単に冷凍凝縮器２１に、又は熱交換器３１を介して何らかの付加的な熱源も利用されることになる場合には或る適切な位置に向かわせるように設定される場合がある。高温側ＰＣＭは、第２のリザーバ３からその先行する動作中に完全に（すなわち、第２の放出モードの動作によって）放出が行われた場合には、そして、熱交換器３１を介して付加的な熱がそれ以降に加えられていない場合には、この段階において完全に固体になる。高温側ＰＣＭは好ましくは融点温度になるが、構成によっては、融点よりわずかに低い場合がある。
【００８９】
充填モードにおいて動作するとき、ヒートポンプ１は電気又は機械エネルギー供給源に接続され、冷凍圧縮器１９を駆動するようにエネルギーを与えられる。冷凍圧縮器１９は、ヒートポンプ１内のガス状冷媒を加圧し、冷凍凝縮器２１に入る前にガス状冷媒の温度を上昇させる。結果として、冷凍凝縮器２１の他の側を通ってポンプ２９によって循環している第２の作動流体２４に熱が供給される。第２の作動流体２４に熱を引き渡すことによって、冷媒は液相まで凝縮される。液相冷媒は、その後、膨張弁２２に入り、膨張弁は、冷媒の圧力を下げ、それに応じて、その沸点を下げる。冷媒蒸発器２０に入る冷媒は、ポンプ８を介して冷媒蒸発器２０の他の側を通って循環している第１の作動流体２３から熱を抽出するのに応じて沸点に達する。
【００９０】
装置３００は、必須ではないが、好ましくは、低温側ＰＣＭの全てが凝固するまで、充填モードにおいて動作する。これは、第１の作動流体２３から抽出された熱がもはや、低温側ＰＣＭの溶融の潜熱によってもたらされないときに、第１の作動流体２３の温度が著しく降下することによって検出可能である。
【００９１】
必須というわけではないが、低温側ＰＣＭの全てが凝固するときに、高温側ＰＣＭの全てが同時に融解するように、第２のリザーバ３内の高温側ＰＣＭの質量を調整することができる。或る特定の実施形態において（例えば、代替の供給源による任意選択の廃熱貯蔵及び再生を考慮するために）、システム性能に何ら影響を及ぼすことなく、高温側ＰＣＭの質量が、そのような「調整される」値を超えている場合がある。
【００９２】
或る特定の実施形態において、充填モードは、低温側ＰＣＭへの「顕熱冷却（sensible cooling）」を与えるためにエネルギーが使用されないように、低温側ＰＣＭの全てが固体になる時点において、又はその前に動作を中止することができる。このようにして、ヒートポンプ１にわたって一定の温度差、それゆえ、性能係数を保持することができ、それにより、ヒートポンプ１の設計及び冷媒の選択を単一の動作点の周りで最適化できるようになる。
【００９３】
装置３００が貯蔵モードにおいて動作するとき、ヒートポンプ１は動作せず、第１の熱力学回路４内のいかなる構成要素も動作しない。
【００９４】
装置３００が、付加的な熱源を再生することなく、エネルギー貯蔵システムとして純粋に動作している場合には、第２の熱力学回路５内のいかなる構成要素も動作しない。
【００９５】
付加的な熱源が利用可能である場合には、貯蔵モード動作中に連続的な、又は断続的な熱源を使用するために、ポンプ２９を動作させて第２の作動流体２４を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。
【００９６】
システムの低温側及び高温側からの放出は、局所的な電力要件に応じて、独立して、又は同時に行うことができる。すなわち、第１の放出モードは第１のリザーバ２からの放出を可能にする場合があり、第２の放出モードは、第２のリザーバ３からの放出を可能にする場合がある。第１の膨張器６及び第２の膨張器１１は、それぞれの放出モードの動作前に停止している場合があるか、又はそれぞれ第１の作動流体２３及び第２の作動流体２４の導入前に動作速度に達しているように起動される場合がある。いくつかの適用例は瞬時電力を必要とする場合があり、これは、瞬時供給源を与えるドライブ／パワーエレクトロニクス装置５２に含むことができる容量性貯蔵体（capacitive storage）５３を使用することによって対応することができる（図１０を参照）。代替の実施形態では、例えば、機械的又は電気的とすることができる、他の付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段を設けることができる。例えば、付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段はフライホイール又は電池とすることができる。
【００９７】
第１の放出モードの動作前に、ポンプ８を動作させて第１の作動流体２３を第１の蒸発器９に通すように三方弁２７が位置決めされる。
【００９８】
第１の放出モードの動作時に、ポンプ８が、第１の作動流体２３を第１のリザーバ２から第１の蒸発器９に送り込み、第１の蒸発器において、第１の作動流体２３が熱源によって加熱され、気化する。或る特定の非限定的な実施形態において、第１の蒸発器９に熱的に接続される熱源は、周囲熱源又は環境熱源とすることができる。その後、第１の作動流体２３は、任意選択の熱交換器３６を通り抜け（存在する場合）、第２の作動流体２４が第２の膨張器１１を出るのに応じて（第２の放出モードも動作している場合）、第２の作動流体から任意の残留熱を受け取る。これにより、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）ことができるか、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器３６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させることができる（熱力学的に好ましい場合）。
【００９９】
第１の膨張器６に入る前に、付加的な熱源３０が利用可能である場合には、第１の作動流体２３は任意選択の熱交換器１６を通り抜けることができる。熱交換器１６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）ことができるか、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器１６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させることができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１００】
ガス状の第１の作動流体２３は第１の膨張器６に入り、第１の膨張器６にわたる圧力差に起因して（その圧力差は、第１のリザーバ２内の凝縮圧と、第１の作動流体２３を気化させるために使用される熱源とによって設定される）、第１の作動流体２３は、膨張するにつれて第１の膨張器６を駆動し、それにより、第１の蒸発器９内の熱源（及び任意選択で熱交換器３６及び１６）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１０１】
第１の作動流体２３はガス状の状態において第１の膨張器６を出て、第１のリザーバ２に戻り、第１のリザーバにおいて、カプセル化された低温側ＰＣＭと接触し、ＰＣＭがそのために必要とされる潜熱を吸収するにつれて凝縮する。このプロセスは、第１のリザーバ２からエネルギーが放出されるにつれて、低温側ＰＣＭを徐々に融解する。
【０１０２】
第１の放出モードは、低温側ＰＣＭを部分的に、又は完全に融解するように動作することができ、それでも、低温側ＰＣＭが依然としてその凝固点温度にあるときに、次の充填モード動作が開始できるようにする。代替的には、十分な電力を依然として生成できる場合には、低温側ＰＣＭの全てが融解された後まで、第１の放出モードにおいて動作し続けることが好ましい場合がある。その際、これは、充填モードの次の動作中に、或る温度範囲にわたってヒートポンプ１が動作することを意味する。いずれにしても、第１のリザーバ２内の、又は第１のリザーバ２を出る第１の作動流体２３の温度の上昇を測定することによって、低温側ＰＣＭが完全に融解したという指標を得ることができる。
【０１０３】
第２の放出モードで動作する前に、任意選択の遮断弁４１及び４３が開けられる場合がある（存在する場合）。第２の放出モードの動作中に熱交換器３１を介して付加的な熱入力が利用できない場合には、任意選択の遮断弁４０及び４２が閉じられる場合がある（存在する場合）。付加的な熱源が利用可能である場合には、第２のリザーバ３は、任意選択の三方弁３２及び３３を制御することによって絶えず充填を行うことができる。詳細には、任意選択の三方弁３２及び３３は、ポンプ２９を動作させて第２の作動流体２４を熱交換器３１に通すような位置に設定することができる（任意選択の遮断弁４０及び４２は開いたままとすることができる）。これは、第２の放出モードの動作中に連続的な（任意選択の）熱源を使用し、それゆえ、ヒートポンプ１を動作させることなく、第２のリザーバ３において同時に充填及び放出ができるようにする。
【０１０４】
第２の放出モードの動作時に、弁４１を開くことによって、第２のリザーバ３内に圧力降下が生じ、第２の作動流体２４は、高温側ＰＣＭの融点温度（又はこの点に近い温度）によって設定される圧力において飽和状態で貯蔵されている。このようにして圧力を降下させることは、第２の作動流体２４が沸点に達し、それゆえ、高温側ＰＣＭから熱を抽出し、そのために必要とされる第２の作動流体２４の気化の潜熱を克服するのを助長する。
【０１０５】
第２のリザーバ３を出てから、第２の膨張器１１に入るまでに、付加的な熱源が利用可能である場合には、ガス状の第２の作動流体２４が任意選択の熱交換器１８を通り抜けることができる。熱交換器１８は、第２の膨張器１１に入る前に、ガス状の第２の作動流体２４を更に加熱する（例えば、過熱を加える）ことができるか、又は代替的には、液体／蒸気レベルをこの熱交換器１８に流し込むことによって、第２の作動流体２４が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１０６】
ガス状の第２の作動流体２４は第２の膨張器１１に入り、第２の膨張器１１にわたる圧力差（第２の凝縮器１２内の第２の作動流体２４の凝縮圧と、第２の作動流体２４を気化させるために使用される熱源とによって設定される）に起因して、第２の作動流体２４は、膨張するにつれて第２の膨張器１１を駆動し、第２のリザーバ３（そして任意選択で熱交換器１８）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１０７】
第２の膨張器１１を出ると、第２の作動流体２４は依然としてガス状であり、任意選択の熱交換器３６に入ることができ、その熱交換器において、任意の残留熱を交換することができ、それは第１の作動流体２３にとって熱力学的に好都合である（第１の放出モードも動作している場合）。第１の熱力学回路４が第２の熱力学回路５から熱的に独立している実施形態では、任意選択の熱交換器３６は存在しない。
【０１０８】
その後、第２の作動流体２４は第２の凝縮器１２（補助熱出力手段としての役割を果たす）に入り、第２の凝縮器において、補助ヒートシンク１５によって凝縮される。
【０１０９】
代替的には、熱力学的に好都合であったなら、装置３００は、第２の作動流体２４が任意選択の熱交換器３６内で凝縮され、その後、第２の凝縮器１２内で過冷却されるように構成することができる。
【０１１０】
凝縮された高温側作動流体２４は、その後、ポンプ１３の吸入側に吸い込まれ、任意選択の熱交換器１７を介して、高温側熱貯蔵体３に戻され、その中で、利用可能である場合には、代替の熱源／廃熱源３０が作動流体２４を予熱することができる。このプロセスは、高温側作動流体２４が気化するときに高温側ＰＣＭから熱を吸収するのに応じて、高温側ＰＣＭを徐々に凝固させ続ける。
【０１１１】
第２の放出モードの動作は、高温側ＰＣＭを部分的に、又は完全に凝固させるが、それでも、高温側ＰＣＭが依然としてその融点温度にあるときに充填モードの次の動作が開始できるように進行することができるか、又は状況によっては、顕在的な電力を依然として生成することができる場合には、高温側ＰＣＭの全てが凝固する時点後まで第２の放出モードを動作させることが好ましい場合がある。後者の選択肢は、充填モードの次の動作中に或る温度範囲にわたってヒートポンプ１が動作することを意味する。いずれの場合も、第２のリザーバ３内にあるか、又は第２のリザーバ３を出る第２の作動流体２４の温度の測定可能な降下によって、高温側ＰＣＭが完全に凝固したという指標を与えることができる。
【０１１２】
図４に、本発明の一実施形態による熱力学サイクル装置４００を示す。
【０１１３】
第１の熱伝達流体２５を利用して、ヒートポンプ１と第１のリザーバ２との間、及び第１のリザーバ２と第１の凝縮器７との間を熱結合し、熱を交換する。さらに、第２の熱伝達流体２８を利用して、ヒートポンプ１と第２のリザーバ３との間、及び第２のリザーバ３と第２の蒸発器１４との間を熱結合し、熱を交換する。第１の熱伝達流体２５及び第２の熱伝達流体２８は、熱伝達回路を形成する。代替の実施形態では、１つ以上の別々の熱伝達回路（例えば、それぞれが別々の熱伝達流体を有する）を利用して、ヒートポンプ１及び第１のリザーバ２、第１のリザーバ２及び第１の凝縮器７、ヒートポンプ１及び第２のリザーバ３、並びに第２のリザーバ３及び第２の蒸発器１４のいずれかを熱結合することができる。
【０１１４】
第１のリザーバ２内の低温側ＰＣＭは、第１の熱伝達流体２５がＰＣＭと直接接触せず、ＰＣＭが動作中に第１のリザーバ２から流れ出ないように、カプセル化された相変化材料である。
【０１１５】
カプセル化は、第１の熱伝達流体２５がＰＣＭ材料（例えば、複数のカプセル化された球体、平板、複数の管による積重体、ハニカム体等）と良好に熱接触できるようにし、動作中に第１の熱伝達流体２５が第１のリザーバ２を通って流れるのを著しく妨げないように構成される。
【０１１６】
充填モードにおいて動作する前に、ポンプ２６が動作するときに、第１の熱伝達流体２５を第１のリザーバ２からヒートポンプ蒸発器２０に向かわせるように弁２７が設定される。この段階において低温側ＰＣＭは完全に液体になり（第１のリザーバ２から放出モードの先行する動作中に、すなわち、第１の放出モードの動作中に完全に放出が行われた場合）、好ましくはその融点温度になるが、構成によっては、融点温度よりわずかに高い場合がある。
【０１１７】
第２のリザーバ３内の高温側ＰＣＭは、第２の熱伝達流体２８がＰＣＭと直接接触せず、動作中にＰＣＭが第２のリザーバ３から流れ出ないように、カプセル化されたＰＣＭである。カプセル化は、第２の熱伝達流体２８がＰＣＭ材料（例えば、複数のカプセル化された球体、平板、複数の管による積重体等）と良好に熱接触できるようにし、動作中に第２の熱伝達流体２８が第２のリザーバ３を通って流れるのを著しく妨げないように構成される。
【０１１８】
充填モードにおいて動作する前に、任意選択の遮断弁４０及び４２が開けられる場合があり（存在する場合）、任意選択の遮断弁４１及び４３が閉じられる場合がある（存在する場合）。任意選択の三方弁３２及び３３が、ポンプ２９が動作するときに、第２の熱伝達流体２８を、第２のリザーバ３から単に冷凍凝縮器２１に、又は熱交換器３１を介して何らかの付加的な熱源も利用されることになる場合には或る適切な位置に向かわせるように設定される。高温側ＰＣＭは、この段階において完全に固体になる（第２のリザーバ３から放出モードの先行する動作中に、すなわち、第２の放出モードの動作中に完全に放出が行われる場合）、そして、熱交換器３１を介して付加的な熱がそれ以降に加えられていない場合。高温側ＰＣＭは好ましくはその融点温度になるが、構成によっては、融点よりわずかに低い場合がある。
【０１１９】
充填モードにおいて動作するとき、ヒートポンプ１にエネルギーを与えて（例えば、電気エネルギー又は機械エネルギーの供給源に接続して）、冷凍圧縮器１９を駆動する。冷凍圧縮器１９は、ヒートポンプ１内のガス状冷媒を、冷凍凝縮器２１に入る前に加熱及び加圧する。結果として、ポンプ２９を介して冷凍凝縮器２１の他の側を通って循環している第２の熱伝達流体２８に熱が供給される。第２の熱伝達流体２８に熱を引き渡すことによって、ヒートポンプ冷媒が液相まで凝縮し、その後、冷媒は、膨張器２２に入り、膨張器は、冷媒の圧力を下げ、それに応じて、その沸点を下げる。冷凍蒸発器２０に入る冷媒は、ポンプ２６を介して冷凍蒸発器２０の他の側を通って循環している第１の熱伝達流体２５から熱を抽出するのに応じて沸点に達する。
【０１２０】
充填モードの動作は、低温側ＰＣＭが全て凝固する時点まで継続できることが（必須ではないが）好ましい。これは、第１のリザーバ２から抽出された熱がもはや、低温側ＰＣＭの溶融の潜熱によってもたらされないときに、第１の熱伝達流体２５の温度が著しく降下することによって検出可能である。
【０１２１】
或る特定の好ましい実施形態において、低温側ＰＣＭの全てが凝縮する時点が高温側ＰＣＭの全てが融解される時点と同時に生じるように、第２のリザーバ３内の高温側ＰＣＭの質量を調整することができる。具体的には、そして代替の供給源からの任意選択の廃熱再生を考慮して、高温側ＰＣＭの質量は、システム性能に何も影響を及ぼすことなく、この調整された値を超えている場合がある。
【０１２２】
或る特定の実施形態において、充填モードの動作は、低温側ＰＣＭへの「顕熱冷却」を与えるためにエネルギーが使用されないように、低温側ＰＣＭの全てが固体になる時点において、又はその前に中止することができる。このようにして、ヒートポンプ１にわたって一定の温度差、それゆえ、性能係数を保持することができ、それにより、ヒートポンプの設計及び冷媒の選択を単一の動作点の周りで最適化できるようになる。
【０１２３】
或る特定の実施形態において、貯蔵モードの動作中に、ヒートポンプ１は動作しない場合があり、第１の熱力学回路４内のいかなる構成要素も動作しない場合がある。
【０１２４】
装置４００が、付加的な熱源を再生することなく、エネルギー貯蔵システムとして純粋に動作している場合には、第２の熱力学回路５内の構成要素はいずれも動作する必要はない。
【０１２５】
付加的な熱源が利用可能である場合には、充填モードの動作中に連続的な、又は断続的な熱源を使用するために、ポンプ２９を動作させて第２の熱伝達流体２５を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。
【０１２６】
図３との関連において上記で説明された実施形態と同様に、第１の熱力学回路４及び第２の熱力学回路５からの放出は、局所的な電力要件に応じて、独立して、又は同時に行うことができる。すなわち、第１の放出モードは第１の熱力学回路４からの放出を可能にする場合があり、第２の放出モードは、第２の熱力学回路５からの放出を可能にする場合がある。第１の膨張器６及び第２の膨張器１１は、放出モードの動作前に停止している場合があるか、又は第１の作動流体２３及び第２の作動流体２４の導入前に動作速度に達しているように起動される場合がある。瞬時電力が必要とされる場合がある実施形態では、瞬時供給源を与えるために、ドライブ／パワーエレクトロニクス装置５２に容量性貯蔵体５３を含むことができる（図１０を参照）。代替の実施形態では、例えば、機械的又は電気的とすることができる、他の付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段を設けることができる。例えば、付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段はフライホイール又は電池とすることができる。
【０１２７】
第１の放出モードの動作前に、ポンプ２６を動作させて第１の熱伝達流体２５を第１の凝縮器７に通すように、三方弁２７が位置決めされる。
【０１２８】
第１の放出モードの動作時に、ポンプ８が第１の作動流体２３を第１の蒸発器９の中に送り込み、第１の蒸発器において、第１の作動流体２３は、熱源によって加熱され、気化する。或る特定の非限定的な実施形態において、熱源は周囲熱源とすることができる。第１の作動流体２３は、その後、任意選択の熱交換器３６を通り抜け、第２の膨張器１１を出るのに応じて、第２の作動流体２４からの任意の残留熱を受け取る（第２の放出モードが動作している場合）。熱交換器３６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルをこの熱交換器３６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１２９】
第１の膨張器６に入る前に、付加的な熱源３０が利用可能である場合には、第１の作動流体２３は任意選択の熱交換器１６を通り抜けることができる。熱交換器１６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器１６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１３０】
ガス状の第１の作動流体２３は第１の膨張器６に入り、第１の凝縮器７内の凝縮圧と、第１の作動流体２３を気化させるために使用される熱源とによって設定される、膨張器にわたる圧力差に起因して、第１の作動流体２３は、膨張するにつれて第１の膨張器６を駆動し、それにより、第１の蒸発器９内の熱源（及び任意選択で熱交換器３６及び１６）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１３１】
第１の作動流体２３は、ガス状のまま第１の膨張器６を出て、第１の凝縮器７に入る。ポンプ２６が、第１の熱伝達流体２５を第１のリザーバ２から第１の凝縮器７に送り込む。第１の凝縮器７は、第１の作動流体２３を第１のリザーバ２と熱的に接触させ、第１の熱伝達流体２５が第１の作動流体２３から熱を吸収するにつれて、第１のリザーバが第１の作動流体２３を凝縮する。凝縮された第１の作動流体２３は、その後、任意選択で最初にバッファ貯蔵体（buffer storage）３７に入り（存在する場合）、その後、ポンプ８に入る場合があるか、又はサイクルが継続する場合、再びポンプ８に直接吸い込まれる場合がある。第１の凝縮器７を出る第１の熱伝達流体２５は第１のリザーバ２に戻され、第１のリザーバにおいて、低温側ＰＣＭと熱を交換し、それにより、第１の放出モードが動作するのに応じて低温側ＰＣＭを徐々に融解する。
【０１３２】
第１の放出モードの動作は、低温側ＰＣＭを部分的に、又は完全に融解するが、それでも、低温側ＰＣＭが依然としてその凝固点温度にあるときに充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。代替的には、いくつかの実施形態において、顕在的な電力を依然として生成することができる場合には、低温側ＰＣＭの全てが融解する時点後まで第１の放出モードを動作させることが好ましい場合があり、その際、これは、充填モードの次の動作中にヒートポンプ１が或る温度範囲にわたって動作することを意味する。いずれの場合も、第１のリザーバ２内の、又は第１のリザーバ２を出る第１の熱伝達流体２５の温度の測定可能な上昇によって、低温側ＰＣＭが完全に融解したという指標を与えることができる。
【０１３３】
第２の放出モードで動作する前に、任意選択の遮断弁４１及び４３が開けられる場合がある（存在する場合）。第２の放出モードの動作中に熱交換器３１を介して付加的な熱入力が利用できない場合には、任意選択の遮断弁４０及び４２が閉じられる場合がある（存在する場合）。付加的な熱源が利用可能である場合には、第２の放出モードの動作中に、連続的な熱源を使用するためにポンプ２９を動作させて第２の熱伝達流体２８を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、そして任意選択の遮断弁４０及び４２を開けておくことによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。これは、ヒートポンプ１を動作させることなく、第２のリザーバ３の充填と第２の放出モードの動作とを同時に可能にする。
【０１３４】
第２の放出モードの動作時に、ポンプ３９を動作させて、第２の熱伝達流体２８を第２のリザーバ３から第２の蒸発器１４に循環させる。第２の蒸発器１４を出ると、第２の熱伝達流体２８は第２のリザーバ３に戻され、絶えず循環できるようにする。ポンプ１３を動作させて、第２の作動流体２４を第２の蒸発器１４の他の側に送り込み、第２の蒸発器において、第２の熱伝達流体２８からの熱を用いて第２の作動流体２４が気化する。
【０１３５】
第２の作動流体２４は第２の蒸発器１４を出て、第２の膨張器１１に入る前に、付加的な熱源／廃熱源３０が利用可能である場合には、任意選択の熱交換器１８を通り抜けることができる。熱交換器１８は、第２の膨張器１１に入る前に、ガス状の第２の作動流体２４を更に加熱する（例えば、過熱を加える）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルをこの熱交換器１８に流し込むことによって第２の作動流体２４が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１３６】
ガス状の第２の作動流体２４は第２の膨張器１１に入り、第２の膨張器１１にわたる圧力差（第２の凝縮器１２内の第２の作動流体２４の凝縮圧と、第２の作動流体２４を気化させるために使用される熱源とによって設定される）に起因して、第２の作動流体２４は、（膨張するにつれて）膨張器１１を駆動し、それにより、第２の熱伝達流体２８（そして任意選択で熱交換器１８）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１３７】
第２の膨張器１１を出ると、第２の作動流体２４は依然としてガス状であり、その後、任意選択の熱交換器３６に入ることができ、その熱交換器において、任意の残留熱を交換することができ、それは、第１の放出モードも動作している場合には、第１の作動流体２３にとって熱力学的に好都合である。
【０１３８】
第２の作動流体２４は、その後、第２の凝縮器１２に入り、第２の凝縮器において、第２の凝縮器１２の他の側にある補助ヒートシンク１５によって凝縮する。或る特定の非限定的な実施形態において、補助ヒートシンク１５は、周囲ヒートシンクとすることができる。
【０１３９】
代替的には、熱力学的に好都合であったなら、装置４００は、第２の作動流体２４が任意選択の熱交換器３６内で凝縮し、その後、第２の凝縮器１２内で過冷却されるように構成することができる。
【０１４０】
凝縮された第２の作動流体２４は、その後、任意選択で、最初にバッファ貯蔵体３８に入り（存在する場合）、その後、ポンプ１３に入る場合があるか、又はサイクルを継続する場合、ポンプ１３に直接吸い込まれ、第２の蒸発器１４の中に（任意選択の熱交換器１７を介して）送り返される場合があり、利用可能である場合には、代替の熱源／廃熱源３０が第２の作動流体２４を予熱することができる。
【０１４１】
このプロセスは継続することができ、第２の作動流体２４が（第２の熱伝達流体２８を介して）高温側ＰＣＭから熱を吸収し、気化するにつれて、高温側ＰＣＭを徐々に凝固させることができる。
【０１４２】
第２の放出モードの動作は、高温側ＰＣＭを部分的に、又は完全に凝固させるが、それでも、高温側ＰＣＭが依然としてその融点温度にあるときに充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。代替的には、状況によっては、顕在的な電力を依然として生成できる場合には、高温側ＰＣＭの全てが凝固する時点後まで、第２の放出モードを動作させることが好ましい場合がある。その際、これは、充填モードの次の動作中に或る温度範囲にわたってヒートポンプ１が動作することを意味する。いずれの場合も、第２のリザーバ３内にあるか、又は第２のリザーバ３を出る第２の熱伝達流体２８の温度の測定可能な降下によって、高温側ＰＣＭが完全に凝固したという指標を与えることができる。
【０１４３】
図５に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置５００を示す。
【０１４４】
図５の実施形態において、ＰＣＭが液体から固体に又はその逆に相を変更するときに比較的一定の温度で蓄熱又は放熱するために、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３においてカプセル化されていないＰＣＭが利用される。
【０１４５】
第１のリザーバ２内の低温側ＰＣＭはいかようにもカプセル化されない。第１の熱伝達流体２５は低温側ＰＣＭと直接接触している。物質が混和性でないように、そして、ＰＣＭが液相及び固相の両方にあるときに重力下で容易に混合せず、分離するような異なる比重を有するように、２つの物質が選択される。このように自然に分離することに起因して、充填モードの動作中に、低温側ＰＣＭと最適に熱接触できるようにするのと同時に、第１の熱伝達流体２５のみが第１のリザーバ２から引き出されるように、吸入口を配置することができる。
【０１４６】
また、このように自然に分離することは、第１の放出モードの動作中に、低温側ＰＣＭの固体／液体スラリー混合物のみが第１のリザーバ２から引き出されるように、吸入口を配置できるようにする。スラリー内に微量の第１の熱伝達流体２５が混入する場合があるが、これらの量は最小になることは理解されたい。
【０１４７】
充填モードの動作前に、低温側ＰＣＭは完全に液体になり（第１のリザーバ２から第１の放出モードの先行する動作中に完全に放出が行われた場合）、好ましくは、その融点温度になるが、実施形態によっては、融点よりわずかに高い場合がある。
【０１４８】
第２のリザーバ３内の高温側ＰＣＭはいかようにもカプセル化されない。第２の熱伝達流体２８は高温側ＰＣＭと直接接触している。物質が混和性でないように、そして、ＰＣＭが液相及び固相の両方にあるときに重力下で容易に混合せず、分離するような異なる比重を有するように、２つの物質が選択される。このように自然に分離することに起因して、第２の放出モードの動作中に、高温側ＰＣＭと最適に熱接触できるようにするのと同時に、第２の熱伝達流体２８のみが第２のリザーバ３から引き出されるように、吸入口を配置することができる。
【０１４９】
また、このように自然に分離することは、充填モードの動作中に、高温側ＰＣＭの固体／液体スラリー混合物４４のみが第２のリザーバ３から引き出されるように、吸入口を配置できるようにする。スラリー内に微量の第２の熱伝達流体２８が混入する場合があるが、これらの量は最小になることは理解されたい。
【０１５０】
充填モードの動作前に、任意選択の遮断弁４０及び４２が開けられる場合があり（存在する場合）、任意選択の遮断弁４１及び４３が閉じられる場合がある（存在する場合）。任意選択の三方弁３２及び３３が、ポンプ２９が動作するときに、高温側ＰＣＭスラリー４４を、第２のリザーバ３から単に冷凍凝縮器２１に、又は（熱交換器３１を介して）何らかの付加的な熱源も利用されることになる場合には或る適切な位置に向かわせるように設定される。高温側ＰＣＭはこの段階において固体／液体スラリーであり、厳密な固体／液体含有量は、先行する第２の放出モードが動作した時間と、それ以降に熱交換器３１を介して任意の付加的な熱が加えられたか否かとによって決まる。高温側ＰＣＭは、その融点温度にあることが好ましい。
【０１５１】
充填モードの動作中に、ヒートポンプ１にエネルギーを加えて、冷凍圧縮器１９を駆動する。冷凍圧縮器１９は、冷凍凝縮器２１に入る前に、ヒートポンプ１内のガス状冷媒を加熱及び加圧する。それゆえ、ポンプ２９を介して冷凍凝縮器２１の他の側を通って循環している高温側ＰＣＭスラリー４４に熱が供給される。高温ＰＣＭスラリー４４に熱を引き渡すことによって、ヒートポンプ冷媒が液相まで凝縮され、その後、冷媒は、冷凍膨張弁２２に入り、膨張弁は、冷媒の圧力を下げ、それゆえ、その沸点を下げる。冷凍蒸発器２０に入る冷媒は、ポンプ２６を介して冷凍蒸発器２０の他の側を通って循環している第１の熱伝達流体２５から熱を抽出するのに応じて沸点に達する。
【０１５２】
この段階にて、第１の熱伝達流体２５は、冷凍蒸発器２０を出た後に、液相低温側ＰＣＭと直ちに接触することになる時点で、第１のリザーバ２に戻される。液相低温側ＰＣＭが既にその融点温度にある場合には、第１のリザーバ２に再び入る第１の熱伝達流体２５と接触すると、その小さい固体粒子が形成される。それらの物質の非混和性と、その異なる比重とに起因して、それらの物質は分離することになり、充填モードの動作中に、第１の熱伝達流体２５を第１のリザーバ２から、冷凍蒸発器２０を通って絶えず送り出すことができるようになる。低温側ＰＣＭの凝固した粒子は、その物質の特性に応じて、液相低温側ＰＣＭ内で上昇又は下降する。これにより、第１のリザーバ２内を濃縮するように低温側ＰＣＭスラリーが蓄積する。充填モードの動作は、全ての低温側ＰＣＭスラリーが第１のリザーバ２内で最大の所望の固体密度に達する時点まで継続できることが好ましい。
【０１５３】
充填モードの動作中に、冷凍凝縮器２１及び／又は任意選択の熱交換器３１を通り抜ける高温ＰＣＭスラリー４４は、ヒートポンプ１が高温ＰＣＭスラリー４４に熱を伝達するのに応じて絶えず融解される。
【０１５４】
不可欠ではないが、最大低温側ＰＣＭスラリー固体密度が生じるとき、それが高温側ＰＣＭの全てが融解される時点と同時に生じるように、第２のリザーバ３内の第２のＰＣＭの質量を調整することができる。具体的には、そして代替の供給源からの任意選択の廃熱再生を考慮して、高温側ＰＣＭの質量は、システム性能に何ら影響を及ぼすことなく、この値を超えている場合がある。
【０１５５】
充填モードの動作は、低温側ＰＣＭへの「顕熱冷却」を与えるためにエネルギーが使用されないように、低温側ＰＣＭスラリーが最大限許容可能な固体密度に達する時点において、又はその前に中止することができる。このようにして、ヒートポンプ１にわたって一定の温度差、それゆえ、性能係数を保持することができ、それにより、ヒートポンプの設計及び冷媒の選択を単一の動作点の周りで最適化できるようにする。
【０１５６】
或る特定の実施形態において、貯蔵モードの動作中に、ヒートポンプ１は動作せず、第１の熱力学回路内のいかなる構成要素も動作しない。
【０１５７】
装置５００が、付加的な熱源を再生することなく、エネルギー貯蔵システムとして純粋に動作している場合には、装置５００は停止している場合があり、第２の熱力学回路内の構成要素も動作していない。
【０１５８】
付加的な熱源３０が利用可能である場合には、貯蔵段階中に連続的な、又は断続的な熱源を使用するために、ポンプ２９を動作させて高温側ＰＣＭスラリー４４を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。
【０１５９】
図３及び図４との関連において上記で説明された実施形態と同様に、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３からの放出は、局所的な電力要件に応じて、独立して、又は同時に行うことができる。すなわち、第１の放出モードは第１のリザーバ２からの放出を可能にする場合があり、第２の放出モードは、第２のリザーバ３からの放出を可能にする場合がある。第１の膨張器６及び第２の膨張器１１は、放出前に停止している場合があるか、又は第１の作動流体２３及び第２の作動流体２４の導入前に動作速度に達しているように起動される場合がある。瞬時電力が必要とされる場合がある実施形態では、瞬時供給源を与えるために、ドライブ／パワーエレクトロニクス装置５２に容量性貯蔵体５３を含むことができる（図１０を参照）。代替の実施形態では、例えば、機械的又は電気的とすることができる、他の付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段を設けることができる。例えば、付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段はフライホイール又は電池とすることができる。
【０１６０】
第１の放出モードの動作時に、ポンプ８が第１の作動流体２３を第１の蒸発器９に送り込み、第１の蒸発器において、第１の作動流体が補助熱源１０によって加熱され、気化する。或る特定の非限定的な実施形態において、補助熱源は周囲熱源とすることができる。第１の作動流体２３は、その後、任意選択の熱交換器３６を通り抜け、第２の膨張器１１を出るのに応じて、第２の作動流体２４からの任意の残留熱を受け取る（第２の放出モードも動作している場合）。熱交換器３６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器３６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１６１】
第１の膨張器６に入る前に、付加的な熱源３０が利用可能である場合には、第１の作動流体２３は任意選択の熱交換器１６を通り抜けることができる。熱交換器１６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器１６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１６２】
ガス状の第１の作動流体２３は第１の膨張器６に入り、第１の膨張器６にわたる圧力差（第１の凝縮器７内の凝縮圧と、第１の作動流体２３を気化させるために使用される熱源とによって設定される）に起因して、第１の作動流体２３は、（膨張するにつれて）膨張器６を駆動し、それにより、第１の蒸発器９内の補助熱源（及び任意選択で熱交換器３６及び１６）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１６３】
第１の作動流体２３は、ガス状のまま第１の膨張器６を出て、第１の凝縮器７に入る。ポンプ４６が、低温側ＰＣＭスラリー４５を第１のリザーバ２から第１の凝縮器７に送り込む。第１の凝縮器７は、第１の作動流体２３を低温側ＰＣＭスラリー４５と熱的に接触させ、低温側ＰＣＭスラリーは、低温側ＰＣＭスラリー４５が第１の作動流体２３から熱を吸収し、融解するにつれて、第１の作動流体２３を凝縮する。凝縮された第１の作動流体２３は、その後、任意選択で最初にバッファ貯蔵体３７に入り（存在する場合）、その後、ポンプ８に入る場合があるか、又はサイクルが継続する場合、再びポンプ８に直接吸い込まれる場合がある。第１の凝縮器７を出る低温側ＰＣＭは、完全に液体として、又は液体の比率が高い状態で、第１のリザーバ２に戻される。このプロセスは、第１の放出モードが動作するときに、低温側ＰＣＭスラリー４５を徐々に融解する。
【０１６４】
第１の放出モードの動作は、低温側ＰＣＭスラリー４５を部分的に、又は完全に融解するが、低温側ＰＣＭが依然としてその凝固点温度にあるときに充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。代替的には、いくつかの実施形態において、顕在的な電力を依然として生成することができる場合には、低温側ＰＣＭスラリー４５の全てが融解する時点を過ぎて第１の放出モードを動作させることが好ましい場合がある。その際、これは、充填モードの次の動作中に或る温度範囲にわたってヒートポンプ１が動作することを意味する。いずれの場合も、第１のリザーバ２内の、又は第１のリザーバ２を出る低温側ＰＣＭの温度の上昇によって、低温側ＰＣＭが完全に融解したという指標が検出可能な場合がある。
【０１６５】
第２の放出モードで動作する前に、任意選択の遮断弁４１及び４３が開けられる場合がある（存在する場合）。放出モード中に熱交換器３１を介して付加的な熱入力が利用できない場合には、任意選択の遮断弁４０及び４２が閉じられる場合がある（存在する場合）。付加的な熱源が利用可能である場合には、第２の放出モードの動作中に、連続的な熱源を使用するためにポンプ２９を動作させて高温側ＰＣＭスラリー４４を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、そして任意選択の遮断弁４０及び４２を開けておくことによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。これは、ヒートポンプ１を動作させることなく、第２のリザーバ３の充填と第２の放出モードの動作とを同時に可能にする。
【０１６６】
第２の放出モードの動作時に、ポンプ３９が動作して、第２の熱伝達流体２８を第２のリザーバ３から第２の蒸発器１４に循環させる。第２の蒸発器１４を出ると、第２の熱伝達流体２８は、液相高温側ＰＣＭと直ちに接触することになる時点で第２のリザーバ３に戻され、それにより、絶えず循環させて、高温側ＰＣＭを冷却できるようにする。ポンプ１３を動作させて、第２の作動流体２４を第２の蒸発器１４の他の側に送り込み、第２の蒸発器において、第２の熱伝達流体２８からの熱を用いて第２の作動流体２４が気化する。
【０１６７】
第２の作動流体２４は第２の蒸発器１４を出て、第２の膨張器１１に入る前に、付加的な熱源３０が利用可能である場合には、任意選択の熱交換器１８を通り抜けることができる。熱交換器１８は、第２の膨張器１１に入る前に、ガス状の第２の作動流体２４を更に加熱する（例えば、過熱を加える）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルをこの熱交換器１８に流し込むことによって第２の作動流体２４が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１６８】
ガス状の第２の作動流体２４は第２の膨張器１１に入り、膨張器にわたる圧力差（第２の凝縮器１２内の第２の作動流体２４の凝縮圧と、第２の作動流体２４を気化させるために使用される熱とによって設定される）に起因して、第２の作動流体２４は、（膨張するにつれて）膨張器１１を駆動し、それにより、第２の熱伝達流体２８（そして任意選択で熱交換器１８）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１６９】
第２の膨張器１１を出ると、第２の作動流体２４は依然としてガス状であり、その後、任意選択の熱交換器３６に入ることができ、その熱交換器において、第２の作動流体２４は任意の残留熱を交換することができ、それは、第１の放出モードが同時に動作している場合には、第１の作動流体２３にとって好都合である。
【０１７０】
第２の作動流体２４は、その後、第２の凝縮器１２に入り、第２の凝縮器において、第２の凝縮器の他の側にある補助ヒートシンク１５によって凝縮される。或る特定の非限定的な実施形態において、補助ヒートシンク１５は、周囲ヒートシンクとすることができる。
【０１７１】
代替的には、熱力学的に好都合であったなら、装置５００は、第２の作動流体２４が任意選択の熱交換器３６内で凝縮し、その後、第２の凝縮器１２内で過冷却されるように構成することができる。
【０１７２】
凝縮された第２の作動流体２４は、その後、任意選択で、最初にバッファ貯蔵体３８に入り（存在する場合）、その後、ポンプ１３に入ることができるか、又はサイクルを継続する場合、ポンプ１３に直接吸い込まれ、第２の蒸発器１４の中に（任意選択の熱交換器１７を介して）送り返される場合があり、利用可能である場合には、代替の熱源／廃熱源３０が第２の作動流体２４を予熱することができる。
【０１７３】
第２の熱伝達流体２８が第２の蒸発器１４を出て、第２のリザーバ３に再び入るのに応じて、第２の熱伝達流体は第２のリザーバ３において冷却効果を有する。高温側ＰＣＭ材料が凝固点温度に達すると、第２のリザーバ３に再び入る第２の熱伝達流体２８と接触して、第２の熱伝達流体２８を介して更に冷却されることにより、凝固した高温側ＰＣＭの小さい粒子が形成される。
【０１７４】
物質の非混和性と、その異なる比重とに起因して、それらの物質は分離することになり、第２の放出モードの動作中に、第２の熱伝達流体２８を第２のリザーバ３から、第２の蒸発器１４を通って絶えず送り出すことができるようになる。高温側ＰＣＭの凝固した粒子は、その物質の特性に応じて、液相高温側ＰＣＭ内で上昇又は下降する。これにより、第２のリザーバ３内を濃縮するように高温側ＰＣＭスラリーが蓄積する。第２の放出モードの動作は、不可欠ではないが、好ましくは、高温側ＰＣＭスラリーが第２のリザーバ３内で最大の所望の固体密度に達する時点まで継続することができる。
【０１７５】
第２の放出モードの動作は、高温側ＰＣＭスラリーを部分的に、又は完全に最大の所望の固体密度まで凝固させるが、それでも、高温側ＰＣＭが第２のリザーバ３内で依然としてその融点温度にあるときに充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。
【０１７６】
図６に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置６００を示す。
【０１７７】
図６の実施形態において、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３内のそれぞれ第１の貯蔵媒体及び第２の貯蔵媒体は、通常の動作温度中に相を変更しない液体媒体である。すなわち、第１の貯蔵媒体は第１の（「低温側」）貯蔵液体であり、第２の貯蔵媒体は第２の（「高温側」）貯蔵液体である。
【０１７８】
第１のリザーバ２内の第１の貯蔵液体は、好ましくは高い比熱容量を有し、好ましくは、冷却されても相変化を受けることがない液体である。この実施形態において、第１の貯蔵液体及び第１の熱伝達流体２５は全く同じ媒体である。
【０１７９】
充填モードの動作前に、ポンプ２６が動作するときに、第１の熱伝達流体２５を第１のリザーバ２から冷凍蒸発器２０に向かわせるように弁２７が設定される。第１のリザーバ２から第１の放出モードの先行する動作中に（すなわち、第１の放出モードの動作中に）完全に放出が行われた場合には、低温側貯蔵液体は十分に最も高い貯蔵温度に達している。
【０１８０】
第２のリザーバ３内の第２の貯蔵液体は、好ましくは、高い比熱容量を有し、好ましくは、加熱されても相変化を受けない液体である。この実施形態において、第２の貯蔵液体及び第２の熱伝達流体２８は全く同じ媒体である。
【０１８１】
充填モードの動作前に、任意選択の遮断弁４０及び４２が開けられる場合があり（存在する場合）、任意選択の遮断弁４１及び４３が閉じられる場合がある（存在する場合）。任意選択の三方弁３２及び３３が、ポンプ２９が動作するときに、第２の熱伝達流体２８を、第２のリザーバ３から単に冷凍凝縮器２１に、又は（熱交換器３１を介して）何らかの付加的な熱源も利用されることになる場合には或る適切な位置に向かわせるように設定される場合がある。第２のリザーバ３から第２の放出モードの先行する動作中に（すなわち、第２の放出モードの動作中に）完全に放出が行われ、かつそれ以降に熱交換器３１を介して付加的な熱が加えられなかった場合には、高温側熱貯蔵液体は十分に最も低い貯蔵温度に達している。
【０１８２】
充填モードにおける動作時に、ヒートポンプ１にエネルギーを加えて、冷凍圧縮器１９を駆動する。冷凍圧縮器１９は、冷凍凝縮器２１に入る前に、かつ冷凍凝縮器２１の他の側を通ってポンプ２９によって循環している第２の熱伝達流体２８に熱を供給する前に、ヒートポンプ１内のガス状冷媒を加熱及び加圧する。第２の熱伝達流体２８に熱を引き渡すことによって、ヒートポンプ冷媒が液相まで凝縮し、その後、冷媒は、冷凍膨張弁２２に入り、その弁は、冷媒の圧力を下げ、それに応じて、その沸点を下げる。冷凍蒸発器２０に入る冷媒は、ポンプ２６を介して冷凍蒸発器２０の他の側を通って循環している第１の熱伝達流体２５から熱を抽出するのに応じて沸点に達する。
【０１８３】
充填モードの動作は、全ての低温側貯蔵液体が最も低い貯蔵温度に達する時点まで継続できることが好ましい。これは、第１の熱伝達流体２５の温度が所定のレベルに達することによって示される（それゆえ、検出可能である）。
【０１８４】
不可欠ではないが、低温側貯蔵液体の全てが完全に冷却される時点が、高温側貯蔵液体の全てが完全に加熱される時点と同時に生じるように、第２のリザーバ３内の高温側熱貯蔵液体の質量を調整することができる。具体的には、そして代替の供給源からの任意選択の廃熱再生を考慮して、高温側熱貯蔵液体の質量は、システム性能に何ら影響を及ぼすことなく、この値を超えている場合がある。
【０１８５】
第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３内の温度は充填モードの動作を通して均等化されることが、不可欠ではないが好ましい。これは、例えば、第１の熱伝達流体２５及び第２の熱伝達流体２８を循環させることにより、又は他の手段（空気混和、機械的攪拌器等）により、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３を攪拌し、ヒートポンプ１内の凝縮温度がいかなる時点でも第２のリザーバ３のバルク温度よりわずかに高く、ヒートポンプ１内の気化温度がいかなる時点でも第１のリザーバ２のバルク温度よりわずかに低いようにヒートポンプ１の動作を制御することによって達成することができる。この充填プロセスは、システムの往復効率を最大化するために、充填持続時間にわたるヒートポンプ１の平均性能係数が可能な限り高いことを確実にする。
【０１８６】
或る特定の実施形態において、貯蔵モードの動作中に、ヒートポンプ１は動作しない場合があり、第１の熱力学回路４内のいかなる構成要素も動作しない場合がある。
【０１８７】
装置６００が、付加的な熱源を再生することなく、エネルギー貯蔵システムとして純粋に動作している場合には、装置６００は停止している場合があり、第２の熱力学回路５内の構成要素も動作していない。
【０１８８】
付加的な熱源が利用可能である場合には、貯蔵段階中に連続的な、又は断続的な熱源を使用するために、ポンプ２９を動作させて第２の熱伝達流体２８を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。
【０１８９】
図３、図４及び図５との関連において上記で説明された実施形態と同様に、第１の熱力学回路４及び第２の熱力学回路５からの放出は、局所的な電力要件に応じて、独立して、又は同時に行うことができる。すなわち、第１の放出モードは第１の熱力学回路４からの放出を可能にする場合があり、第２の放出モードは、第２の熱力学回路５からの放出を可能にする場合がある。第１の膨張器６及び第２の膨張器１１は、放出前に停止している場合があるか、又は第１の作動流体２３及び第２の作動流体２４の導入前に動作速度に達しているように起動される場合がある。瞬時電力が必要とされる場合がある実施形態では、瞬時供給源を与えるために、ドライブ／パワーエレクトロニクス装置５２に容量性貯蔵体５３を含むことができる（図１０を参照）。代替の実施形態では、例えば、機械的又は電気的とすることができる、他の付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段を設けることができる。例えば、付加的な非熱的エネルギー貯蔵手段はフライホイール又は電池とすることができる。
【０１９０】
第１の放出モードの動作前に、ポンプ２６を動作させて第１の熱伝達流体２５を第１の凝縮器７に通すように三方弁２７が位置決めされる。
【０１９１】
第１の放出モードの動作時に、ポンプ８が第１の作動流体２３を第１の蒸発器９に送り込み、第１の蒸発器において、第１の作動流体２３は第１の補助源１０からの熱によって加熱され、気化する。或る特定の非限定的な実施形態において、補助熱源１０は周囲熱源とすることができる。第１の作動流体２３は、その後、任意選択の熱交換器３６を通り抜け、第２の膨張器１１を出るのに応じて、第２の作動流体２４からの任意の残留熱を受け取る（第２の放出モードも動作している場合）。熱交換器３６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器３６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１９２】
第１の膨張器６に入る前に、付加的な熱源３０が利用可能である場合には、第１の作動流体２３は任意選択の熱交換器１６を通り抜けることができる。熱交換器１６は、第１の膨張器６に入る前に、ガス状の第１の作動流体２３を更に加熱する（例えば、過熱する）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルを熱交換器１６に流し込むことによって第１の作動流体２３が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０１９３】
ガス状の第１の作動流体２３は第１の膨張器６に入り、第１の膨張器６にわたる圧力差（第１の凝縮器７内の凝縮圧と、第１の作動流体２３を気化させるために使用される熱源とによって設定される）に起因して、第１の作動流体２３は、（膨張するにつれて）第１の膨張器６を駆動し、それにより、第１の蒸発器９内の熱源（及び任意選択で熱交換器３６及び１６）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０１９４】
第１の作動流体２３は、ガス状のまま第１の膨張器６を出て、第１の凝縮器７に入る。ポンプ２６が、第１の熱伝達流体２５を第１のリザーバ２から第１の凝縮器７に送り込む。第１の凝縮器７は、第１の作動流体２３を第１のリザーバ２と熱的に接触させ、低温の熱伝達流体２５が第１の作動流体２３から熱を吸収するにつれて、第１のリザーバ２が第１の作動流体２３を凝縮する。凝縮された第１の作動流体２３は、その後、任意選択で、最初にバッファ貯蔵体３７に入り（存在する場合）、その後、ポンプ８に入る場合があるか、又はサイクルが継続する場合、再びポンプ８に吸い込まれる場合がある。第１の凝縮器７を出る第１の熱伝達流体２５は、第１のリザーバ２に戻され、第１のリザーバにおいて、第１の放出モードが動作するとき、低温側熱貯蔵液体と熱を交換し、加熱する。
【０１９５】
第１の放出モードは、低温側熱貯蔵液体を部分的に、又は完全に加熱し、均等化によってどのようなバルク温度に達しようと、それでも充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。いずれにしても、第１のリザーバ２の完全なエネルギー枯渇は、第１のリザーバ２内の、又は第１のリザーバ２を出る第１の熱伝達流体２５の温度の上昇を検出することによって示すことができる。
【０１９６】
第１の放出モードの動作中に、抜き取られた液体が常に最も低い貯蔵温度にあり、最も高い貯蔵温度において第１のリザーバ２に戻されるように、低温側熱貯蔵液体が第１のリザーバ２（例えば、タンクとすることができる）の底部から抜き取られ、第１のリザーバ２内の熱貯蔵液体を層化できるようにする流速で第１のリザーバ２の上部に戻されることが、不可欠ではないが好都合である。この結果として、第１の凝縮器７内の第１の作動流体２３に関して取り得る最も低い凝縮圧が生じ、それゆえ、第１の膨張器６にわたるエンタルピー変化を最大化する。
【０１９７】
第２の放出モードで動作する前に、任意選択の遮断弁４１及び４３が開けられる場合がある（存在する場合）。第２の放出モードの動作中に、熱交換器３１を介して付加的な熱入力が利用可能でない場合には、任意選択の遮断弁４０及び４２が閉じられる場合がある（存在する場合）。付加的な熱源が利用可能である場合には、第２の放出モードの動作中に、連続的な熱源を使用するためにポンプ２９を動作させて第２の熱伝達流体２８を熱交換器３１に通すような位置に任意選択の三方弁３２及び３３を設定することによって、そして任意選択の遮断弁４０及び４２を開けておくことによって、第２のリザーバ３に絶えず充填を行うことができる。これは、ヒートポンプ１を動作させることなく、第２のリザーバ３の充填と第２の放出モードの動作とを同時に可能にする。
【０１９８】
第２の放出モードの動作時に、ポンプ３９が動作して、第２の熱伝達流体２８を第２のリザーバ３から第２の蒸発器１４に循環させる。第２の蒸発器１４を出ると、第２の熱伝達流体２８は、第２のリザーバ３に戻され、絶えず循環できるようにする。ポンプ１３が動作して、第２の作動流体２４を第２の蒸発器１４の他の側に送り込み、第２の蒸発器において、第２の熱伝達流体２８からの熱を用いて第２の作動流体２４が気化する。
【０１９９】
第２の作動流体２４は第２の蒸発器１４を出て、第２の膨張器１１に入る前に、付加的な熱源／廃熱源３０が利用可能である場合には、任意選択の熱交換器１８を通り抜けることができる。熱交換器１８は、第２の膨張器１１に入る前に、ガス状の第２の作動流体２４を更に加熱する（例えば、過熱を加える）か、又は代替的には、液体／蒸気レベルをこの熱交換器１８に流し込むことによって第２の作動流体２４が気化する温度を上昇させるために使用することができる（熱力学的に好ましい場合）。
【０２００】
ガス状の第２の作動流体２４は第２の膨張器１１に入り、膨張器にわたる圧力差（第２の凝縮器１２内の第２の作動流体２４の凝縮圧と、第２の作動流体２４を気化させるために使用される熱源とによって設定される）に起因して、第２の作動流体２４は、（膨張するにつれて）第２の膨張器１１を駆動し、それにより、第２の熱伝達流体２８（そして任意選択で熱交換器１８）から抽出されるエネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換する。
【０２０１】
第２の膨張器１１を出ると、第２の作動流体２４は依然としてガス状であり、その後、任意選択の熱交換器３６に入ることができ、その熱交換器において、任意の残留熱を交換することができ、それは、第１の放出モードが同時に動作している場合には、第１の作動流体２３にとって好都合である。
【０２０２】
第２の作動流体２４は、その後、第２の凝縮器１２に入り、第２の凝縮器において、第２の凝縮器１２の他の側にある補助ヒートシンク１５によって凝縮される。或る特定の非限定的な実施形態において、補助ヒートシンクは周囲ヒートシンクとすることができる。
【０２０３】
代替的には、熱力学的に好都合であったなら、装置６００は、第２の作動流体２４が任意選択の熱交換器３６内で凝縮され、その後、第２の凝縮器１２内で過冷却されるように構成することができる。
【０２０４】
凝縮された第２の作動流体２４は、その後、任意選択で、最初にバッファ貯蔵体３８に入り（存在する場合）、その後、ポンプ１３に入る場合があるか、又はサイクルを継続する場合、ポンプ１３に直接吸い込まれ、任意選択の熱交換器１７を介して第２の蒸発器１４の中に再び送り込まれる場合があり、その熱交換器において、利用可能である場合には、代替の熱源／廃熱源３０が作動流体２４を予熱することができる。
【０２０５】
第２の放出モードの動作は、第２の熱伝達流体２８が気化するときに、第２の作動流体２４が第２の熱伝達流体２８を介して高温側熱貯蔵液体から熱を吸収するのに応じて、高温側熱貯蔵液体を徐々に冷却する。
【０２０６】
第２の放出モードの動作は、第２のリザーバ３を部分的に、又は完全に冷却し、均等化によってどのようなバルク温度に達しようと、充填モードの次の動作が開始できるように進行することができる。いずれにしても、第２のリザーバ３の完全なエネルギー枯渇は、第２のリザーバ３内の、又は第２のリザーバ３を出る第２の熱伝達流体２８の温度の降下によって示す（それゆえ、検出する）ことができる。
【０２０７】
第２の放出モードの動作中に、抜き取られた液体が常に最も高い貯蔵温度にあり、最も低い貯蔵温度において第２のリザーバ３に戻されるように、高温側熱貯蔵液体が第２のリザーバ３（例えば、タンクとすることができる）の上部から抜き取られ、第２のリザーバ３内の熱貯蔵液体を層化できるようにする流速で第２のリザーバ３の底部に戻されることが、不可欠ではないが好都合である。この結果として、第２の蒸発器１４内の第２の作動流体２４に関して取り得る最も高い気化圧が生じ、それゆえ、第２の膨張器１１にわたるエンタルピー変化を最大にする。
【０２０８】
図７に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置７００を示す。図７の実施形態において、第１のリザーバ２は２つの個別の第１の容器２ａ、２ｂを備え、第２のリザーバ３は２つの個別の第２の容器３ａ、３ｂを備える。第１の貯蔵媒体及び第２の貯蔵媒体は、装置７００の通常動作中に相を変更しない液体である。このようにして、第１の容器２ａ、２ｂ及び第２の容器３ａ、３ｂにおける顕熱加熱及び冷却を介して、熱エネルギーを貯蔵することができる。第１の貯蔵媒体が加熱及び冷却されるのに応じて、２つの第１の容器２ａと２ｂとの間で第１の貯蔵媒体が行き来する（例えば、ポンプ作用による）。同様に、第２の貯蔵媒体が加熱及び冷却されるのに応じて、２つの第２の容器３ａと３ｂとの間で第２の貯蔵媒体が行き来する（例えば、ポンプ作用による）。
【０２０９】
図８に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置８００を示す。図８の実施形態において、中間温度熱貯蔵体としての役割を果たす第３のリザーバ５０が設けられる。第１のリザーバ２、第２のリザーバ３及び第３のリザーバ５０はそれぞれ、その中に１つ以上の熱交換器を有する貯蔵タンクを備える。図８の実施形態は、熱交換器をタンクの中に入れることによって、いくつかの補助ポンプ負荷をいかに除去できるようになるかを、多少簡略化して例示する。さらに、第２のリザーバ３を出る廃熱は、第３のリザーバ５０に取り込むことができる。これらの特徴は、上記の実施形態のいずれかに含まれる場合がある。図８の具体的な実施形態において、第１の貯蔵媒体及び第２の貯蔵媒体は、装置８００の通常動作中に相を変更しない液体媒体である。このようにして、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３内の顕熱加熱及び冷却を介して熱エネルギーを貯蔵することができる。
【０２１０】
図９に、本発明の一実施形態による、熱力学サイクル装置９００を示す。図９の装置９００は図１の装置１００と同じであるが、熱源５４及びヒートシンク５５を更に含む。その場合に、更なる構成要素５４及び５５、並びに関連する動作（後に説明される）が、上記の実施形態のいずれかに組み込まれる場合がある。
【０２１１】
熱源５４によって、第１のリザーバ２から熱を引き出すことなく、ヒートポンプ１が動作し、第２のリザーバ３を加熱できるようになる。この構成は、第１の放出モードが動作することなく、装置９００が第２の放出モードにおいてあらかじめ動作していた場合に（すなわち、第２のリザーバ３に「エネルギーを再充填する」ために）、使用することができる。
【０２１２】
ヒートシンク５３によって、第２のリザーバ３を加熱することなく、ヒートポンプ１が第１のリザーバ２を冷却するために動作できるようになる。この構成は、第２の放出モードが動作することなく、装置９００が第１の放出モードにおいてあらかじめ動作していた場合に（すなわち、第１のリザーバ２に「エネルギーを再充填する」ために）、使用することができる。
【０２１３】
図１０に、本発明の或る特定の実施形態において利用される場合があるパワーエレクトロニクス装置５２を示す。膨張器発電機に電気的に接続されるパワーエレクトロニクス装置５２が示されており、膨張器発電機は第１の膨張器６又は第２の膨張器１１のいずれかを含むことができる。パワーエレクトロニクス装置５２は、膨張器発電機６、１１の発電機を調整し、地域送電網への任意の接続プロトコルを取り扱うように構成される。容量性貯蔵体５３（例えば、キャパシタ）が設けられ、電力の要求と電力の供給との間の時間を短縮する役割を果たすことができ、ステージ間にＤＣ電圧バスが存在する。パワーエレクトロニクス装置５２は、膨張器発電機６、１１を駆動して、電力が要求されるときの起動時間を速くできるようにするために利用することもできる。代替の実施形態では、容量性貯蔵体５３の代わりに、又はそれに加えて、他の更なる非熱的エネルギー貯蔵手段を設けることができ、その手段は、例えば、機械的又は電気的とすることができる。例えば、更なる非熱的エネルギー貯蔵手段は、フライホイール、圧縮空気（又は他の気体）又は電池とすることができる。
【０２１４】
或る特定の実施形態において、第１の貯蔵媒体及び第２の貯蔵媒体（第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３内）の貯蔵温度は、２００℃以下、１００℃以下、−５０℃以上及び／又は−３０℃以上とすることができる。或る特定の実施形態において、第１の貯蔵媒体の貯蔵温度と第２の貯蔵媒体の貯蔵温度との間の差は、３０℃〜１２０℃とすることができる。或る特定の実施形態において、第１の貯蔵媒体の貯蔵温度と第２の貯蔵媒体の貯蔵温度との間の差は、３０℃〜６０℃、若しくは約５０℃、又は８０℃〜１２０℃、若しくは約１００℃とすることができる。例えば、第１のリザーバ内の貯蔵温度は約０℃とすることができ、第２のリザーバ内の貯蔵温度は約５０℃とすることができる。それゆえ、本発明の実施形態は、数百℃の高い温度、及び−１００℃以下の低い温度を必要とする数多くの従来技術の構成とは対照的に、適度で合理的な温度において動作することができる。本発明は、或る特定の実施形態において、周囲熱、環境熱及び廃熱等の、豊富で自由に利用可能な熱源を利用することによって、これを果たすことができる。そのような実施形態において、豊富な熱源の低い変換効率が、比較的適度な温度において動作することによって被る、熱力学的損失を克服する。第２のリザーバ内に貯蔵されるエネルギーに対して第１のリザーバ内に貯蔵されるエネルギーを独立して放出する能力を与えることによって、装置の工学技術が大幅に簡略化される。それは、そのような装置が、容易に入手可能な構成要素から組み立てることができること、及び魅力的な往復効率を、低い資本コストで達成できることを意味する。
【０２１５】
或る特定の非限定的な実施形態において、構成要素９、１６、３１、１８（これらは熱交換器である）内に熱を加えるために使用される熱源は、外部周囲空気源、空調される建物又は住居内部からの空気源、既存の空調又は冷凍システムから廃棄される熱、周囲水源（例えば、塩水、海水、半塩水、湖、池、河川、用水路、送水路）、地表源、地熱、太陽熱、太陽池、生物活性熱源（例えば、嫌気性消火装置、好気性消火装置、堆肥、糞堆積物、下水流、二次下水汚泥）、産業プロセスからの廃熱、及び他の発電技術（例えば、ＣＣＧＴ、蒸気タービン等）からの廃熱から選択することができる。
【０２１６】
第１の蒸発器９及び第２の凝縮器１２のための熱源及びヒートシンクとして「周囲」熱を利用する実施形態において、これらは、同じ周囲源であるか、又は同じ温度にある必要はない（すなわち、補助ヒートシンク１５のために河川の流れを使用する結果として、補助熱源１０として利用される場合がある空気源と比べて低い温度になる場合がある）。
【０２１７】
或る特定の実施形態において、第１の膨張器６及び／又は第２の膨張器１１は、ラジアルタービン、軸流タービン、又は衝動タービン（又は他のタービン）／ターボ膨張器（turboexpanders）、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関から選択することができる。
【０２１８】
或る特定の実施形態において、上記のポンプ２６、８、４６、２９、３９、１３、４９はそれぞれ、遠心ポンプ、スライディングベーンポンプ、ジェロータポンプ、ジェローラポンプ、ギアポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、蠕動ポンプ及びローブポンプから選択されるポンプとすることができる。
【０２１９】
或る特定の実施形態において（例えば、第２のリザーバ３が同時に充填及び放出を行う必要がない場合には）、ポンプ２９及び１３を、図３に関連して上記で説明された実施形態における単一のポンプに置き換えることができるか、又はポンプ２９及び３９を、図４、図５、図６及び図７に関連して上記で説明された実施形態における単一のポンプに置き換えることができる。
【０２２０】
或る特定の実施形態において（例えば、第１のリザーバ２及び第２のリザーバ３の独立した充填、及び独立した第１の放出モード及び第２の放出モードが必要とされない場合）、第１の膨張器６及び／又は第２の膨張器１１は、単一の発電機の共通のシャフト上に結合することができる。
【０２２１】
いくつかの実施形態において、放出モードの動作中に動作するように要求されるポンプは、システム効率を改善するために、膨張器６、１１の一方又は両方と共通のシャフト上に結合することができる。
【０２２２】
好ましい実施形態において、ＰＣＭのためのカプセル化材料、及びそれらの材料と接触する任意の流体は、互いに適合するように選択することができる。
【０２２３】
液相の作動流体が第１の膨張器６及び／又は第２の膨張器１１に入るのを防ぐために、或る特定の実施形態による装置は、過熱の限界を制御しながら、第１の作動流体及び第２の作動流体がそれぞれ第１の膨張器６及び第２の膨張器１１に導入されるように動作することができる。
【０２２４】
第１の熱力学回路及び第２の熱力学回路内の作動流体レベルは、ポンプのキャビテーション損傷を防ぐだけの十分な過冷却を与えるように制御することができる。
【０２２５】
適切なＰＣＭを選択する基準は、その融点、接触する場合がある任意の材料との化学的適合性、化学的不活性、安定性、コスト及び安全性のうちのいずれか又は全てを含むことができる。
【０２２６】
適切な第１の作動流体及び第２の作動流体を選択する基準は、熱源及びヒートシンクの温度、ＰＣＭの貯蔵温度、コスト、安全性、安定性、不活性、化学的適合性、及び冷媒としての温度−エントロピー特性のうちのいずれか又は全てを含むことができる。
【０２２７】
或る特定の実施形態において、装置はモジュール式とすることができる。第１のリザーバ２又は第２のリザーバ３のいずれか又は両方が、拡張性のあるシステムをもたらすために、多岐管で連通する（manifolded）ことができる２つ以上のタンクを備えることができる。
【０２２８】
付加的な冷却源（例えば、工業プロセス又は極低温プロセスからの廃冷、膨張ガス）が利用可能な場合がある適用例では、それぞれの作動流体の凝縮圧を更に抑圧するために、又は作動流体ポンプに入る前に、作動流体に更なる過冷却を加えるために、第２の熱力学回路５内の第２の凝縮器１２の後に、図４、図５、図６、図７及び図８に関連して上記で説明された実施形態における第１の凝縮器７の後に、そして、図３に関連して上記で説明された実施形態におけるポンプ８に入る前に、付加的な熱交換器が含まれる場合がある。
【０２２９】
第２のリザーバ３の熱貯蔵温度より著しく高い温度にある適用例において熱源が利用可能である場合には、１つ又は複数の付加的な熱貯蔵体（すなわち、１つ以上の付加的なリザーバ、又はリザーバ容器）を利用して、より高い貯蔵温度（複数の場合もある）を有する貯蔵媒体を用いて、この熱源を、より高い温度において貯蔵することができる。その際、この熱源は、一次側の第２のリザーバ容器が液体の第２の作動流体を依然として液体である温度まで加熱し、その後、二次側の第２のリザーバ容器内に貯蔵される熱を利用して、第２の作動流体の気化が行われるように利用することができる。代替的には、この熱源は、一次側の第２のリザーバを用いて、第２の作動流体を気化させ、その後、二次側の第２のリザーバ容器を用いて、第２の膨張器に入る前に第２の作動流体を過熱するように利用することができる。また、この熱源は、第１の作動流体を気化させるか、又は過熱する付加的な熱源として利用することもできる。
【０２３０】
第１のリザーバ２の貯蔵温度より著しく低い温度にある適用例において冷却源が利用可能である場合には、１つ又は複数の付加的な熱貯蔵体（すなわち、１つ以上の付加的なリザーバ、又はリザーバ容器）を利用して、より低い貯蔵温度を有する貯蔵媒体を用いて、この冷却源を、より低い温度において貯蔵することができる。その際、この冷却源は、一次側の第１のリザーバ容器を用いて、第１の作動流体を、それがガス状のままである温度まで冷却し、その後、二次側の第１のリザーバ容器を利用して、第１の作動流体をより低い凝縮圧まで凝縮するように利用することができる。代替的には、この冷却源は、一次側の第１のリザーバ容器が第１の作動流体を凝縮し、二次側の第１のリザーバ容器が、ポンプに入る前に第１の作動流体を過冷却するように利用することができる。また、この冷却源は、第２の作動流体を凝縮又は過冷却する付加的なヒートシンクとして利用することもできる。或る特定の実施形態において、廃冷を用いて、第１のリザーバ２を更に冷却する（それゆえ、「充填する」）ことができる。
【０２３１】
第１の貯蔵媒体及び／又は第２の貯蔵媒体がカプセル化されていないＰＣＭを含む実施形態では、カプセル化されていないＰＣＭは、（例えば、スラリーとは異なる）断片化可能な固体として貯蔵することができる。断片化可能な固体は、分離できるように断片化することができる固体である。
【０２３２】
本発明の実施形態によれば、ヒートポンプ１は電気的に駆動可能にすることができる。しかしながら、他の実施形態では、ヒートポンプにエネルギーを加えるために他の形のエネルギーを利用できるなら（例えば、機械エネルギー、ガス駆動システム等）、その装置を用いて他の形のエネルギーを貯蔵することができる。
【０２３３】
或る特定の実施形態において、高速応答の膨張器発電機を用いて、より短い起動時間を助長するために、レギュレータ／弁３４及び３５が開けられるときに、第１の膨張器／第２の膨張器に到着するガスに輸送遅延がないように、第１の膨張器／第２の膨張器へのライン／配管をガス状の第１の作動流体／第２の作動流体で加圧しておくことができる。
【０２３４】
本発明の範囲内で、上記の実施形態の任意の適切な組み合わせを実施することができ、これにより、そのような組み合わせに対する保護が要求される。例えば、具体的な組み合わせ及び実施形態（「構成」）が以下の表に列挙され、「低温側」はヒートポンプ１の低温側に熱的に接続される機構を備え、「高温側」はヒートポンプ１の高温側に熱的に接続される機構を備える。図の参照は、参照される図に示される低温側／高温側機構、及び／又は参照される図に関して上記で説明された機構を指定する。
【０２３５】
【表１】
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【０２３６】
本明細書の説明及び特許請求の範囲全体を通して、「備える」及び「含む」という用語並びにそれらの語尾変化形は、「〜を含むが〜に限定されるものではない」ことを意味し、他の成分、付加物、構成要素、完全体又はステップを排除することを意図していない（排除しない）。本明細書の説明及び特許請求の範囲全体を通して、単数形のものは、文脈上別の解釈が必要とされていない限り、複数形のものを含む。特に、不定冠詞が使われている場合、本明細書は、文脈上別の解釈が必要とされていない限り、単数だけでなく複数も考慮されていると理解されるべきである。
【０２３７】
本発明の特定の態様、実施形態又は例とともに説明した特徴、完全体、特性、合成物、化学成分又はグループは、本明細書で説明した他の任意の態様、実施形態又は例と矛盾しない限り、それらに適用可能であると理解されるべきである。本明細書（任意の添付の請求項、要約書及び図面を含む）に開示された特徴の全て、及び／又はそのように開示された任意の方法若しくはプロセスのステップの全ては、そのような特徴及び／又はステップのうちの少なくともいくつかが互いに矛盾する組み合わせを除いて、任意の組み合わせに結合することができる。本発明は、上記のいずれの実施形態の詳細にも限定されるものではない。本発明は、本明細書（任意の添付の請求項、要約書及び図面を含む）に開示された特徴のうちの任意の新規の１つ若しくは任意の新規の組み合わせ、又はそのように開示された任意の方法若しくはプロセスのステップのうちの任意の新規の１つ若しくは任意の新規の組み合わせにも及ぶ。
【０２３８】
読み手の注意は、本出願に関連して、本明細書と同時に又は先立って提出され、かつ本明細書とともに公衆の閲覧に付される、全ての論文及び書類に向けられるものであり、全てのこのような論文及び書類の中身は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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